Crux
De verschillende factoren die invloed hebben op de temperatuur verdeling in de Amsterdamse ondergrond en dus het grondwater.

Opwarming van het freatisch grondwater in Amsterdam, een modeleerstudie

Temperatuur van het ondiepe grondwater in Amsterdam
In stedelijke gebieden is de temperatuur van het ondiepe grondwater hoger dan in de omliggende gebieden. Het relatief warme grondwater biedt kansen, maar geeft ook risico’s. De risico’s zijn onder ander het droogvallen en opwarmen van kabels en leidingen en het opwarmen van drinkwaterleidingen in de stad. Kansen liggen in het toepassen van de ondiepe bodem als energiebron. Het is dus zaak om het effect van verstedelijking en klimaatverandering op ondiepe grondwatertemperaturen in kaart te brengen.

Systeem
Opwarming van het grondwater in stedelijke gebieden is een complex proces wat zich in de loop der eeuwen heeft ontwikkeld onder invloed van verstedelijking. Steden zijn gekenmerkt door verschil in landgebruik en geografisch variabel, zoals gebouwen (woningen en kantoorruimtes), bestrating, wegen, parken en oppervlaktewater. Elk type landgebruik resulteert in een andere uitwisseling van neerslag en luchttemperatuur met grondwatertemperatuur. Zo is de grondwatertemperatuur onder bestrating hoger dan onder parken, omdat straten zonlicht absorberen en langer vasthouden. Dit effect resulteert ook in zogenaamde hitte eilanden, waardoor de luchttemperatuur hoger uit valt dan gemiddeld. Kortom, gebouwen en straten resulteren in een netto verwarming van de ondergrond. Als gevolg van verstedelijking infiltreert de warmte van de stad langzaam in de bodem. Naast de stedelijke opbouw hebben natuurlijke factoren als het klimaat, grondwaterstroming en de bodemopbouw invloed op de temperatuur verdeling in de ondergrond.

Onderzoek
Uit studie van CRUX Engineering in samenwerking met de Universiteit Utrecht blijkt dat verdeling van de grondwatertemperatuur in stedelijk gebied samenhangt met de dichtheid van bebouwing en het aantal jaren dat de bebouwing er staat. Naast de genoemde effecten hangt de diepte van temperatuur infiltratie af van bodemeigenschappen, grondwaterstroming, thermische conductiviteit, thermische diffusiviteit en uitwisseling van lucht met de bodem. Zo dient een kleilaag als een isolerende laag, zorgt freatische grondwaterstroming voor geringe ruimtelijke verspreiding van warmte en verhindert het gebrek aan neerslag onder gebouwen de natuurlijke afkoeling van de bodem.

Als voorbeeld is gekozen voor de Frederik-Hendrik buurt in Amsterdam. Voor dit gebied is een geohydrologisch model opgesteld, waarin de ruimtelijk variabiliteit van de bodemopbouw is meegenomen (de bodemopbouw is bepaald aan de hand van GeoTop en REGIS II uit het Dinoloket), middels een combinatie van Python, Qgis en ModFlow in FloPy. In het model is tijdsafhankelijke warmtetransport toegevoegd middels MT3MS in ModFlow. Een uitdaging in modellering van warmtetransport is numerieke dispersie, waar gridformaat en tijdschaal de resultaten ongewenst kunnen beïnvloeden. Het numeriek model is opgesteld aan de hand van lokale grondwatertemperatuur metingen in Amsterdam en wetenschappelijke literatuur.

De grondwaterstroming in de Frederik-Hendrik buurt wordt gekenmerkt door inzijging, waar ondiep grondwater richting de dieper gelegen watervoerende pakketten stroomt. Hierdoor zijn klimaat en landgebruik bepalend voor de grondwatertemperatuur in de deklaag.

De bodemstratificatie in de Frederik-Hendrik buurt met bijbehorende horizontale en verticale doorlatendheid (Kh en Kv) en de thermische diffusie coëfficiënt (Dt).

Resultaten uit het onderzoek geven aan dat de grondwatertemperatuur sterk afhankelijk is van het landgebruik, waar gemiddelde temperatuur onder gebouwen en wegen 2 tot 4.5 °C hoger zijn dan onder parken. De variatie in de bodemtemperatuur werkt door tot in de klei en veenlagen van de deklaag, waardoor het landgebruik bepalend is voor het temperatuurprofiel in de deklaag. Uit een gevoeligheidsanalyse volgt ook dat verticaal warmtetransport gedreven wordt door thermische diffusie door het zand heen, terwijl horizontale freatische grondwaterstroming de extremen in grondwatertemperatuur verminderen.

De grondwater temperatuurverdeling in de Frederik-Hendrik buurt na een modelsimulatie van 1900-2019.

Conclusie
De Frederik-Hendrik buurt in Amsterdam is een voorbeeld voor modellering van warmtetransport in de ondiepe bodem. Het is een complex proces dat veelal tijdsafhankelijk is en ruimtelijk zéér variabel. Om de grondwatertemperatuur van stedelijke gebieden goed te begrijpen is het belangrijk om de achterliggende processen inzichtelijk te maken alvorens deze toe te passen op een ruimtelijk variabel en tijdsafhankelijk systeem.

Modellering wijst uit dat mogelijk over de laatste 120 jaar de freatische grondwatertemperatuur gemiddeld 3 °C is gestegen en de stijging ver in de deklaag is terug te vinden. Hierbij is het grondwater onder gebouwen en wegen gemiddeld warmer dan onder natuurgebieden. De stijging van de grondwatertemperatuur heeft invloed op praktische en maatschappelijke situaties zoals de uitgangspunten voor het ontwerp van kabels en leidingen, ook op ondiepe bodemenergiesystemen maar het benutten van deze warmte kan ook bijdragen aan het verlagen van hittestress.

← Terug naar het overzicht
Site by Alsjeblaft!