Haalbaarheid ondergrondse waterberging Westland

Samenvatting
1.
De boodschap in het kort
Onderzocht is of het technisch, financieel en beleidsmatig haalbaar is om zoetwater (zoals
hemelwater) in de ondergrond op te slaan en wanneer nodig weer te onttrekken en te
gebruiken in de kas. Dit is de haalbaarheidsstudie (Fase A), het totale onderzoek bestaat uit 2
fasen. Fase B is een vervolgfase, waarbij de theorie in een praktijkpilot bij een tuinder wordt
toegepast.
De conclusie van dit onderzoek is dat beleidsmatig, technisch en financieel een verdere
ontwikkeling en praktische toepassing van de ondergrondse opslag van zoetwater voor
bepaalde gebieden haalbaar is. Uit deze studie komt naar voren dat er in de regio
Westland/Oostland gebieden voorkomen die geschikt zijn voor ondergrondse
zoetwaterberging (OWB) (vooral Oostland), maar ook dat er gebieden zijn die ongeschikt zijn
voor ontwikkeling en toepassing van OWB systemen (omgeving Delft). Interessant is de
ontwikkeling van OWB systemen voor die gebieden waar zout grondwater aanwezig is, waar
de opbouw van de ondergrond gunstig is en de grondwaterstroming gering. Deze studie laat
zien dat een geavanceerd injectiesysteem (MULTI-PUT) het rendement aan terug te winnen
water aanzienlijk verhoogt. In een vervolgfase dient dit systeem in de praktijk verder getest
en ontwikkeld te worden (pilot Groeneweg, ’s Gravenzande).
2.
Waarom is ondergronds bergen interessant voor de tuinder?
Het garanderen van de bedrijfszekerheid vergt een continue beschikbaarheid van voldoende
zoetwater met een redelijke prijs. In de glastuinbouw (substraatteelt) gebruikt men vooral
hemelwater als primaire zoetwaterbron. Omdat het neerslagpatroon onregelmatig is, wordt
dit water opgevangen in een bergingsbassin, waarna het water gebruikt kan worden in de
kas.
Doordat fluctuaties in het neerslagpatroon door klimaatverandering toenemen (langere
drogere perioden, intensievere buien), wordt de sector in toenemende mate geconfronteerd
met periodieke tekorten ( zoals in voorjaar 2011) en overschotten aan hemelwater, en is zij
tijdens droogte aangewezen op andere bronnen van gietwater. Zo bedraagt het watertekort in
het Westland in een droge periode ca. 4.2 miljoen m3 (zie Figuur 1)
Westland, Gemiddeld jaar (1003 substraat
bedrijven, 1987 ha)
2500
2000
1500
1000
500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
-500
Watervraag (1000 m3)
Maandneerslag (1000 m3)
Watertekort (1000 m3)
Westland, 5% droog obv gemiddelde jaar (1003
substraat bedrijven, 1987 ha)
2500
2000
1500
1000
500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
-500
-1000
-1500
-2000
Watervraag (1000 m3)
Maandneerslag (1000 m3)
Watertekort (1000 m3)
Figuur 1.Weergave van het waterverbruik (groen), wateraanbod (blauw) en watertekort (rood) in m3 (x
1000) voor de substraatteelt in het Westland in een gemiddeld jaar en in een droog jaar. (Paalman et al.
2011)
In de huidige praktijk wordt veelal grondwater gebruikt, dat indien brak of zout via
omgekeerde osmose (reverse osmosis) ontzilt wordt. Het probleem is dat bij dit
ontziltingsproces een zoute oplossing (brijn) ontstaat waarvan de lozing op oppervlaktewater
of in de diepere ondergrond beleidsmatig op bezwaren stuit.
Een betere benutting van hemelwater op kassen (en daken) vormt een goed alternatief. In
Figuur 1 is te zien dat de wintermaanden een neerslagoverschot kennen. Dit water wordt nu
via het oppervlaktewater afgevoerd uit het gebied. Het zou een verbetering zijn om dit
overschot aan regenwater te bergen (bijvoorbeeld in de ondergrond) en mogelijk nog aan te
vullen met water uit andere bronnen zoals bijvoorbeeld afkomstig van de RWZI
Harnaschpolder (zgn. Delft Blue Water). In de ondergrond ontstaat zo een bel van zoet
gietwater welke in periodes van droogte kan worden aangewend. Dit betekent voor de
tuinder meer zekerheid in het beschikken over voldoende water van goede kwaliteit.
3.
Is het principe van ondergrondse berging van water nieuw?
Het principe van ondergrondse waterberging is al bekend en wordt op verschillende plekken
in ons land (Regio Oostland, Wieringermeer, Aalsmeer) al toegepast. Er is dan ook ervaring
voorhanden vanuit de glastuinbouw (o.a. BE – De Lier), die kan worden aangevuld met de
expertise en de vernieuwende concepten vanuit de drinkwatersector (KWR Watercycle
Research Institute). Ook in het buitenland wordt deze techniek op grote schaal toegepast
(opslag drink- en gietwater), men spreekt dan vaak van Aquifer Storage and Recovery (ASR).
Figuur 2: Schema van ondergrondse gietwateropslag, in dit geval gebruikmakend van hemelwater als
bron van gietwater.
Wel nieuw is dat het OWB concept hier is doorontwikkeld voor een meer complexe
ondergrond, waar sprake is van grondwaterstroming en/of zout grondwater. Zo zijn er in het
Westland, waar sprake is van zouter grondwater en een vrij sterke regionale
grondwaterstroming, nog nauwelijks systemen waar gietwater ondergronds wordt
opgeslagen.
4.
Beleidsmatige Haalbaarheid OWB
Het toepassen van ondergrondse infiltratie en onttrekking is onder bepaalde voorwaarden
beleidsmatig goed mogelijk. In de praktijk blijkt dit ook het geval daar er in Nederland voor
verschillende locaties vergunningen zijn afgegeven (bv. locaties in het glastuinbouwgebied
van het Oostland, Agriport A7 etc.);
5.
Technische Haalbaarheid OWB: de ondergrond als variabele
Het succes van ondergrondse zoetwaterberging en terugwinning wordt bepaald door de
eigenschappen van de ondergrond (gegeven bodemopbouw en hydrologie) en door het
ontwerp van het injectiesysteem (ruimte voor aanpassingen).
Met de bodemopbouw wordt bedoeld de bodemlagen die in ondergrond aanwezig zijn
(geologie). Belangrijk voor ondergrondse waterberging is dat er een watervoerende laag
aanwezig is waar het water in opgeslagen kan worden.
In Figuur 3 is de situatie voor het gebied Westland-Oostland weergegeven. Hier is op een
diepte van 20 – 40 m een watervoerend pakket aanwezig (het 1e watervoerende pakket). Voor
het ondergronds bergen van water moet deze aquifer niet te dun zijn (anders krijg je er
weinig water in), maar ook niet te dik (het zoute water moet ver van de put worden geduwd),
en zij dient begrensd te zijn aan boven- en onderkant door kleilagen (slecht-doorlatende lagen
voor water). Geconcludeerd wordt dat in het Westland geologisch gezien een geschikte laag
aanwezig is om het water in op te slaan. Opgemerkt moet worden dat deze lokaal kan
afwijken zodat nader onderzoek voor concrete OWB toepassingen altijd nodig is. Vooral de
‘conditie’ van de scheidende laag tussen het 1e en 2e watervoerende pakket) vormt een
aandachtspunt.
Figuur 3: Doorsnede van Westland naar Oostland. A = Holocene deklaag, B = Watervoerend pakket 1,
C= Slechtdoorlatende laag 1, D = Watervoerend pakket 2 en 3, E = Slechtdoorlatende laag 3, F =
Lokale kleilaag, G = Duingebied, H = Westland, I = Oostland, J = Onttrekking DSM, K =
Onttrekking t.b.v. omgekeerde osmose, L = Injectie membraanconcentraat afkomstig van omgekeerde
osmose. Bron: TNO REGIS II.1.
Naast de bodemopbouw is de hydrologie erg belangrijk voor ondergrondse waterberging.
Meest bepalend is de mate van grondwaterstroming en/of aanwezigheid van zout
grondwater. Het moge duidelijk zijn dat het opslaan van zoetwater in de ondergrond gebaat
is bij een zeer trage of afwezige grondwaterstroming en een laag zoutgehalte. In Figuur 4 is te
zien dat de bodemlaag die in potentie geschikt is (1e watervoerende pakket) in het Westland
lokaal een behoorlijke stroomsnelheid kent. Deze stroming van enkele tientallen meters per
jaar is te wijten aan de grondwateronttrekking van (voormalig) DSM in Delft. Verder van
deze onttrekking neemt de grondwaterstroming af, vooral richting diepe droogmakerijen in
het Oostland. Voor het bergen van zoetwater is de omgeving van Delft dus minder geschikt.
Een geïnjecteerde bel van zoetwater drijft dan af. Hetzelfde gebeurt ook op enkele plaatsen
waar het hoge land (0 m-NAP) overgaat naar de diepere droogmakerijen.
Figuur 4. Stroomsnelheden van het grondwater in het 1e watervoerende pakket, benaderd op basis van
de dikte en doorlatendheid van de aquifer en de stijghoogteverdeling. Bron: TNO REGIS II.1
Een ander belangrijk aspect is de zoutconcentratie in het grondwater. Figuur 5 geeft aan dat
het grondwater in het Westland zout is. Meer naar het oosten en de regio den Haag is het
grondwater zoeter.
Figuur 5: Chlorideconcentraties centraal in het 1e watervoerende pakket (Oude Essink et al., 2010).
Het probleem met zout grondwater is dat menging ervan met het geïnjecteerde zoete water
plaatsvindt langs de randen of in de put, zodat er een mengzone ontstaat van brak water.
Daarnaast is zoetwater lichter dan zoutwater en kan de zoetwaterbel gaan ‘opdrijven’, d.w.z.
omhoog bewegen en zich in een dunnere lens uitspreiden boven op het zoute grondwater.
De eigenschappen van de ondergrond zijn een vast gegeven (‘je moet het ermee doen’). In het
algemeen kan voor het Westland geconcludeerd worden dat de eigenschappen van de bodem
(geologie en hydrologie) minder geschikt zijn voor ondergrondse waterberging dan
bijvoorbeeld voor het Oostland gebied.
6. Technische Haalbaarheid: ontwerp van injectiesysteem als variabele
Het injectie- en terugwinsysteem dient zo ontworpen te worden dat men een zo hoog
mogelijk rendement haalt aan teruggewonnen zoetwater (gietwater).
Het te ontwerpen injectiesysteem bestaat (afgezien van aanvoer infiltratiewater, voor- en
nazuivering) uit de volgende onderdelen: de injectie/onttrekkingsputten (locatie, aantal,
diepte etc.), duur van opslag (tijd), en de te injecteren volumes. Doel is om het verlies van
zoet water zo veel mogelijk te beperken, m.a.w. de omvang van de bufferzone (zie Figuur 2)
zo veel mogelijk te beperken.
Als hoofdregel geldt dat naarmate meer hemelwater wordt geïnjecteerd (grotere volumes) en
de tijdsduur relatief kort is, men procentueel minder zoet water verliest. Dit betekent dat voor
het Westland en vergelijkbare gebieden grotere ondergrondse zoetwatersystemen geschikter
zijn dan kleinere.
6.1
Geschiktheidskaarten
Voor deze studie zijn geschiktsheidskaarten vervaardigd, waarop te zien is welke locaties
geschikt kunnen zijn voor ondergronds bergen van hemelwater (ASR) voor de glastuinbouw.
In Figuur 6 is een geschiktheidskaart weergegeven voor de glastuinbouwgebieden Westland
en Oostland. De groene gebieden zijn geschikt voor ondergrondse opslag van zoet water, de
geel/bruine gebieden zijn matig geschikt en de rode gebieden zijn in beginsel ongeschikt
voor toepassing van ASR systemen.
De gehanteerde methode moet vooral worden gezien als een snelle ruimtelijke inschatting en
onderlinge vergelijking van verschillende gebieden. Exacte rendementen kunnen hieruit niet
worden afgeleid. Ook voor andere gebieden in Nederland waar ondergronds bergen van
gietwater wordt overwogen is het aan te bevelen om eerst een geschiktheidstudie uit te
voeren.
Figuur 6. Geschiktheidskaart voor ondergrondse berging van zoet water. Geschikt (groene gebieden),
matig geschikt (geel/bruine gebieden), ongeschikt (rood).
Wat niet in deze geschiktheidskaart is opgenomen is de invloed van andere ondergrondse
activiteiten in het gebied, die van invloed kunnen zijn op een ASR systeem. Gedoeld wordt
op met name Warmte-Koude-Opslag (WKO) systemen, brakwaterwinningen t.b.v.
gietwaterproductie, en diepinfiltratie systemen ter lozing van brijn. Of deze activiteiten
daadwerkelijk van invloed zijn, zal per locatie bezien moeten worden. In zijn algemeenheid
geldt dat wanneer deze activiteiten gebruik maken van het 2e watervoerende pakket (meeste
WKO installaties en lozingen van brijn) deze van minder invloed zijn, dan wanneer geplaatst
in het 1e watervoerende pakket.
6.2
Ontwikkeling en optimalisatie van een getrapt putsysteem: de MULTI-PUT
De conventionele putsystemen die in de jaren ’80 in het Oostland werden toegepast bestaan
uit één buis, waarbij op één diepte water wordt geïnjecteerd en onttrokken. Gebleken is dat
deze systemen, indien in het Westland toegepast (zie hiervoor Pilot Groeneweg 75, ’s
Gravenzande), resulteren in een relatief laag rendement van 20-40%. Dit betekent dat
wanneer bijvoorbeeld 60,000 m3 wordt geïnjecteerd, men 12,000 tot 24,000 m3 kwalitatief
goed water (gietwater met lage natriumconcentratie) terug kan winnen. Het overgrote deel
zal door opdrijven niet terugwinbaar zijn.
Een onderzoeksvraag is hoe het rendement van terug te winnen water verhoogd kan worden.
Naar voren komt dat het rendement omhoog kan door gebruik te maken van slimme
ondergrondse waterberging (met een MULTI-PUT), waarbij het hemelwater op verschillende
diepten met verschillende debieten wordt geïnjecteerd (zie Figuur 7).
Figuur 7: Principe van slimme OWB door gebruik te maken van de Multiput waarbij een groter
volume onderin het watervoerende pakket geïnfiltreerd wordt, gevolgd door terugwinning van een
groter volume bovenin.
Figuur 8 toont het rendement voor de voorbeeldcase Groeneweg, waarbij het rendement van
een slim puttensysteem (MULTI-PUT) is vergeleken ten opzichte van een conventioneel
putsysteem. Te zien is dat het rendement verhoogd wordt van ca. 35% in het eerste jaar tot ca.
55% na 5 jaar. In absolute zin betekent dit dat bij gelijkblijvende jaarlijkse injectie van
hemelwater er per jaar meer water onttrokken kan worden. Belangrijk is om na te gaan of de
hoeveelheid benodigd (aanvullend) water in de kas dan vanuit de ondergrondse berging
geleverd kan worden. Op voorhand is bekend dat de gemiddelde neerslag onvoldoende is
om volledig in de waterbehoefte van de teelt (tomaat) te voorzien. Als je bij OWB water kwijt
raakt vanwege het rendement van de installatie, kan men alleen spreken over het verkleinen
van het tekort.
Figuur 8. Rendement van een Multiput systeem (SOWB) t.o.v. een conventioneel (Conv) putsysteem
bij injectie van 60.000 m3 zoetwater in 120 dagen en 30 dagen opslag. Aniso = anisotropiefactor
aquifer. Aniso=5 betekent dat de horizontale doorlatendheid 5 x groter is dan de verticale
doorlatendheid). D is de dispersiviteit en is een maat voor de menging in de ondergrond, afhankelijk
van de samenstelling van het watervoerende pakket. D neemt toe als meer menging plaatsvindt.
6.3.
Omvang ondergrondse zoetwaterbel (volume)
Uit de berekeningen komt naar voren dat naarmate het geïnjecteerde volume groter wordt
het rendement ook toeneemt. Dit betekent in de praktijk dat het wenselijk is dat enkele naast
elkaar gelegen bedrijven het overschot aan water in een gezamenlijke bel injecteren. Bij de
opzet van de pilotlocatie aan de Groeneweg te ’s Gravenzande is dit ook het geval.
7.
Financiële haalbaarheid
De kostprijs per m3 terug te winnen zoetwater bedraagt voor een standaard OWB installatie
0.39 - 0.58 euro/m3. De kostprijs voor een meer geavanceerd OWB systeem (Slim, MULTIPUT) ligt hoger (0.44 - 1.03 euro/m3). Uitgaande van de huidige benchmark van 0.60 euro/m3
(Agrimaco 2010) is een standaard OWB gunstig en ligt de prijs van een geavanceerd systeem
wat hoger.
Stroomkosten zijn, zeker bij continue OWB systemen van grote invloed op de kostprijs. Een
goedkopere stroomvoorziening zoals WKK is daarom sterk sturend voor de kostprijs.
8.
Pilot Westland: Prominent Groeneweg
Een mogelijk geschikte locatie om het MULTI PUT systeem uit te testen is bij de fa. Prominent
aan de Groeneweg te ‘s Gravenzande. De uitdaging is om in het zoute grondwater een
stabiele zoetwater bel te creëren die groot genoeg is om aan de watervraag in (zeer) droge
omstandigheden te kunnen voldoen.
Figuur 9: Opzet pilot Prominent Groeneweg 75 te ’s Gravenzande
Het globale ontwerp van dit multiput systeem is weergegeven in figuur 10. Op basis van
modelberekeningen wordt bepaald welke volumes op welke diepte moeten worden
geïnjecteerd om een stabiele zoetwaterbel te verkrijgen opdat het terug te winnen rendement
wordt vergroot.
Figuur 10: Ontwerp pilot OWB te Groeneweg II.