17Water onder de grond

Op een hete zomerdag zijn de akkers droog en staan de beken laag. Toch blijft er aan de voet van een heuvel water uit de grond opwellen, koud en helder, zoals de hele winter, en het vult een vijver. Het heeft al weken niet geregend. Waar komt dit water vandaan, en hoe komt het uit het gesteente?

Wat je al weet

Bijna al het water op Aarde is zout water; zoet water is een klein deel, dat vooral als ijs en onder de grond is opgeslagen (Hoofdstuk 3). Gesteenten zoals zandsteen en kalksteen bestaan uit korrels of schelpen die aan elkaar vastzitten, terwijl klei en schalie uit heel fijne deeltjes bestaan (Hoofdstuk 15). In het natuurkundeboek heb je het water gevolgd in de waterkringloop: het verdampt uit de zeeën, condenseert tot wolken en valt terug als regen of sneeuw.

17.1 Regen zakt in de grond

Als er regen op het land valt, kan het water drie wegen nemen. Een deel verdampt weer in de lucht. Een deel stroomt over het oppervlak, de hellingen af, naar beken en rivieren: dat is afstroming. De rest zakt in de grond.

Definitie 17.1 (Infiltratie)

Infiltratie is het wegzakken van regenwater, of gesmolten sneeuw, in de grond, door de bodem heen en omlaag in het gesteente.

Hoeveel water er in de grond zakt, hangt af van de grond. Op een steile helling, op kale of harde grond, op een weg of een parkeerplaats, of als de bodem al doorweekt is, stroomt het meeste water weg. Op een flauwe helling, onder gras en bomen, op zandgrond, heeft meer water de tijd om in de grond te zakken.

17.2 Poreuze en doorlatende gesteenten

Bekijk een handvol droog zand door een loep: tussen de korrels zitten piepkleine lege ruimtes. Giet er water op en het water vult die ruimtes. Veel gesteenten zijn zo: ze zitten vol kleine gaatjes tussen hun korrels, of vol dunne scheurtjes.

Definitie 17.2 (Porositeit)

De poriën van een gesteente zijn de lege ruimtes tussen de korrels en in de scheurtjes. Een gesteente met poriën is poreus. De porositeit is het deel van het volume dat uit poriën bestaat, geschreven als percentage.

Definitie 17.3 (Doorlatendheid)

Een gesteente is doorlatend als water erdoorheen kan stromen, omdat de poriën groot genoeg zijn en met elkaar in verbinding staan. Het is ondoorlatend als er geen water doorheen kan stromen. De doorlatendheid is hoe makkelijk water door een gesteente stroomt.

De twee begrippen zijn niet hetzelfde. Klei is heel poreus: de helft van het volume bestaat uit poriën. Maar die poriën zijn zo piepklein dat het water erin vast blijft zitten: klei is ondoorlatend. Zand heeft minder poriën dan klei, maar ze zijn wijd en staan met elkaar in verbinding: zand is doorlatend. Graniet zonder scheuren heeft bijna helemaal geen poriën.

De tabel geeft de porositeit van een paar materialen, en het deel van het water dat er vanzelf uit wegloopt als ze vol water zitten. De rest blijft aan de korrels vastzitten.

Methode 17.4 (Hoeveel water houdt een gesteente vast?)

1. Zoek het volume van het gesteente (voor een blok: lengte $\times$ breedte $\times$ hoogte).
2. Vermenigvuldig met de porositeit en deel door 100: dat is het volume van de poriën, dus het water dat het gesteente bevat als het vol zit.
3. Gebruik voor het water dat wegloopt het tweede percentage op dezelfde manier. (1 kubieke meter is 1000 liter.)

Voorbeeld 17.5 (Een kubieke meter zand)

Een kubieke meter zand die vol water zit, bevat $1000 \times 25 \div 100 = 250$ liter water in zijn poriën. Daarvan loopt $1000 \times 22 \div 100 = 220$ liter vanzelf weg; 30 liter blijft aan de korrels vastzitten. Een kubieke meter klei bevat twee keer zoveel water, 500 liter, maar er loopt maar 20 liter uit weg.

In het laboratorium — Zand of klei? (in de klas, met de leraar)

Twee bloempotten met een gat in de bodem staan boven twee glazen. De ene is gevuld met droog zand, de andere met droge, aangedrukte kleigrond. De leraar giet tegelijk in elke pot hetzelfde glas water. Door het zand druppelt het water al snel in het glas eronder. Op de klei blijft het water bovenop staan als een plas en komen er maar een paar druppels door, langzaam: het zand is doorlatend, de klei niet.

17.3 Grondwater en de grondwaterspiegel

Graaf een kuil in het zand van een strand, een paar stappen van de zee: na een tijdje verschijnt er water op de bodem van de kuil. Je hebt de plek bereikt waar alle poriën van het zand vol water zitten.

Definitie 17.6 (Grondwater)

Grondwater is het water onder de grond dat de poriën en scheuren van de bodem en van de gesteenten vult.

Definitie 17.7 (Grondwaterspiegel)

Onder een bepaalde diepte zitten alle poriën van het gesteente vol water. De grondwaterspiegel is de bovenkant van deze met water gevulde zone. Erboven bevatten de poriën lucht en een beetje water; eronder zitten ze vol water.

De grondwaterspiegel is niet vlak. Hij volgt de vorm van het land, maar vlakker: hoger onder de heuvels, lager onder de dalen. Hij gaat ook met de seizoenen op en neer. Na een regenseizoen heeft de regen die in de grond is gezakt hem omhoog gebracht; na een lang droog seizoen stroomt het water langzaam weg naar bronnen en rivieren, en zakt de grondwaterspiegel.

Grondwater is een grote voorraad zoet water. Van al het zoete water op Aarde is ongeveer 69 % ijs en eeuwige sneeuw, en ongeveer 30 % grondwater; het zoete water van alle meren samen is maar ongeveer een kwart procent. Er is meer dan honderd keer zoveel grondwater als zoet water in de meren.

17.4 Bronnen en putten

Definitie 17.8 (Bron en put)

Een bron is een plek waar grondwater vanzelf uit de grond komt, waar de grondwaterspiegel het oppervlak raakt. Een put is een gat dat tot onder de grondwaterspiegel is gegraven of geboord, zodat grondwater de bodem ervan vult en eruit kan worden opgehaald.

De doorsnede hieronder loopt door een dal van de Varden Hills, het gebied van onze oefeningen. De heuvels bestaan uit krijt, een witte, zachte, poreuze en doorlatende kalksteen. Onder het krijt ligt een laag schalie, die ondoorlatend is. De regen zakt in het krijt, vult de poriën en stopt op de schalie.

De bron stroomt waar de onderkant van het krijt de helling raakt: het water kan niet omlaag door de schalie, dus stroomt het over de bovenkant van de schalie en komt het op de helling naar buiten. Zolang er water in het krijt boven de schalie zit, blijft de bron stromen, zelfs in een droge zomer: dat is het antwoord op de vraag aan het begin van het hoofdstuk.

Kijk naar de twee putten. Put A is 100 m diep; de bodem ligt in elk seizoen onder de grondwaterspiegel, dus geeft hij altijd water. Put B is nog dieper, 105 m, maar hij is hoger op de heuvel gegraven: de bodem ligt na het regenseizoen onder de grondwaterspiegel en na het droge seizoen erboven. In de zomer staat put B droog. Wat telt, is niet hoe diep een put is, maar hoe ver de bodem onder de laagste grondwaterspiegel komt.

Opmerking 17.9 (Een put kan droog komen te staan)

Water uit een put pompen verlaagt de grondwaterspiegel eromheen. Als er sneller water wordt opgepompt dan de regen het gesteente bijvult, zakt de grondwaterspiegel steeds verder: de put geeft steeds minder water en kan droog komen te staan. Twee buren die uit hetzelfde gesteente pompen, delen hetzelfde water: de ene pomp kan de put van de ander droog laten vallen.

17.5 Watervoerende lagen

Definitie 17.10 (Watervoerende laag)

Een watervoerende laag (of aquifer) is een laag poreus en doorlatend gesteente, vol grondwater, die dit water naar bronnen en putten laat stromen. De regen die in de grond zakt, vult haar weer aan.

Het krijt van de Varden Hills is een watervoerende laag: het is poreus, het is doorlatend, en de boerderijen op de heuvels halen er hun water uit. De schalie eronder is geen watervoerende laag: water kan er niet doorheen stromen. Nog dieper, onder de schalie, liggen een kalksteen en een zandsteen, die ook water kunnen bevatten; om dat te bereiken, moet een put dwars door de schalie worden geboord.

Grondwater hoort bij de waterkringloop. Regen zakt in een watervoerende laag; het grondwater stroomt langzaam door de poriën; het komt naar buiten bij bronnen en in rivieren, die het naar de zee voeren; daar verdampt het, en het valt weer als regen. Water uit een watervoerende laag halen is als water uit een tank halen die de regen langzaam vult: het houdt alleen stand als we er niet meer uit halen dan de regen terugbrengt.

17.6 Grondwater schoon houden

Water dat in de grond zakt, wordt onderweg gefilterd: bladeren, bodemdeeltjes en kleine beestjes worden door de bodem en het gesteente tegengehouden. Daarom ziet water uit een bron of een put er meestal kristalhelder uit. Maar stoffen die opgelost zijn in het water, worden niet tegengehouden: ze reizen met het water mee omlaag naar de grondwaterspiegel.

Grondwater kan bedorven worden door wat mensen op de grond doen: kunstmest en bestrijdingsmiddelen op akkers en in tuinen, strooizout op gladde wegen, brandstof die uit een tank lekt, afval dat in de open lucht wordt gestort, het overlopen van slecht onderhouden beerputten van huizen. Als die stoffen eenmaal in een watervoerende laag zijn opgelost, zijn ze moeilijk te verwijderen, en is het water misschien niet meer veilig om zonder behandeling te drinken. Daarom moet het water van een put worden getest voordat je het drinkt, en kun je kunstmest, brandstof en afval het best ver van putten en bronnen houden.

Opgeloste stoffen reizen met het grondwater mee. Onder de grondwaterspiegel kruipt het water langzaam bergafwaarts: van waar de grondwaterspiegel hoog is, onder de heuvels, naar waar hij laag is, bij de bronnen en de rivieren. Iets wat wordt gemorst en in de grond zakt, blijft dus niet liggen waar het viel. Het zakt naar de grondwaterspiegel en drijft dan met het grondwater bergafwaarts mee, naar wat er lager op de helling ligt.

Methode 17.11 (Loopt een put gevaar?)

1. Zoek waar de grondwaterspiegel hoog is en waar laag: hij is hoog onder de heuvels en laag bij de bronnen en de rivieren.
2. Het grondwater stroomt van hoog naar laag: teken de richting met een pijl.
3. Een put of een bron die lager ligt dan een vervuilingsbron, op de weg van die pijl, loopt gevaar; een put die hoger ligt niet.

Voorbeeld 17.12 (Een nieuwe brandstoftank voor de boerderij)

Een boerin op een krijthelling drinkt het water van haar eigen put, halverwege de helling, en wil een nieuwe brandstoftank in een van twee weilanden zetten: één boven de put, één eronder, bij de beek. Het grondwater stroomt bergafwaarts. Een lek uit het weiland boven de put zou naar de put toe drijven; een lek uit het weiland eronder zou ervan weg drijven, naar de beek. Het weiland onder de put is voor de put de betere keuze — en een tank in een opvangbak die elk lek tegenhoudt is nog beter, want de beek telt ook.

In het veld — Bronnen opsporen

Kijk tijdens een wandeling met een volwassene langs de voet van een helling. Een bron verraadt zich vaak als een plek natte grond, een strook groener gras of riet in een droog weiland, een beekje dat uit het niets begint, of een stenen bak of trog die gebouwd is om het water op te vangen. Op een gedetailleerde wandelkaart staan bronnen met een klein symbool. Kijk vanaf het pad: drink nooit het water van een bron dat niet getest is.

17.7 Oefeningen

Oefening 17.1 ★

Verdeel deze materialen in “doorlatend” en “ondoorlatend”: zand, klei, grind, graniet zonder scheuren, schalie, krijt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.1.

Doorlatend: zand, grind, krijt. Ondoorlatend: klei, graniet zonder scheuren, schalie.

Oefening 17.2 ★

Koppel elk woord aan zijn betekenis: bron; put; grondwaterspiegel; watervoerende laag. (a) De bovenkant van de zone waar alle poriën vol water zitten. (b) Een poreuze en doorlatende laag die grondwater bevat. (c) Een plek waar grondwater vanzelf naar buiten komt. (d) Een gat dat tot onder de grondwaterspiegel gaat.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.2.

(a) grondwaterspiegel; (b) watervoerende laag; (c) bron; (d) put.

Oefening 17.3 ★

(a) Noem de drie wegen die regenwater kan nemen als het op het land valt. (b) Waar stroomt na een stortbui meer water weg: op een parkeerplaats of op een weiland? Waarom?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.3.

(a) Het verdampt weer in de lucht; het stroomt over het oppervlak weg naar beken; het zakt in de grond (infiltratie). (b) Op de parkeerplaats: het harde oppervlak laat bijna geen water in de grond zakken, dus stroomt het water weg. In het weiland laten de bodem en het gras veel ervan in de grond zakken.

Oefening 17.4 ★

Waar of niet waar? Verbeter de zinnen die niet waar zijn. (a) Een poreus gesteente is altijd doorlatend. (b) Onder de grondwaterspiegel zitten de poriën vol water. (c) De grondwaterspiegel is vlak, zoals het oppervlak van een meer. (d) Er is meer zoet water onder de grond dan in alle meren samen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.4.

(a) Niet waar: klei is heel poreus maar ondoorlatend, omdat de poriën piepklein zijn. (b) Waar. (c) Niet waar: hij volgt de vorm van het land, maar vlakker, en hij gaat met de seizoenen op en neer. (d) Waar: ongeveer 30 % van al het zoete water is grondwater, tegen ongeveer een kwart procent in de meren.

Oefening 17.5 ★★

Een emmer bevat 10 liter droog zand. De porositeit van het zand is 25 %. Hoeveel water kun je in de emmer gieten voordat hij overloopt? Hoeveel water zou er door een gat in de bodem weglopen (22 %)?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.5.

$10 \times 25 \div 100 = 2.5$: je kunt 2.5 liter erin gieten voordat hij overloopt. $10 \times 22 \div 100 = 2.2$: er zou 2.2 liter door het gat weglopen.

Oefening 17.6 ★★

Een blok kalksteen meet 2 m bij 1 m bij 1 m. (a) Wat is het volume, in kubieke meter en in liter? (b) De porositeit is 20 %: hoeveel liter water bevat het blok als het vol zit? (c) Van dit water loopt 18 % van het volume weg. Hoeveel liter loopt er weg, en hoeveel blijft er vastzitten?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.6.

(a) $2 \times 1 \times 1 = 2$ kubieke meter, dat is 2000 liter. (b) $2000 \times 20 \div 100 = 400$ liter. (c) $2000 \times 18 \div 100 = 360$ liter loopt weg; $400 - 360 = 40$ liter blijft vastzitten.

Oefening 17.7 ★★

Gebruik de doorsnede door de Varden Hills. (a) Op welke hoogte ligt de bron? En de rivier? (b) Ligt de bron boven of onder de rivier? Waar gaat het water van de bron naartoe? (c) Waarom is er geen bron midden op de krijthelling?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.7.

(a) De bron ligt op ongeveer 203 m, de rivier op ongeveer 132 m. (b) De bron ligt ongeveer 70 m boven de rivier: het water stroomt de helling af naar de rivier. (c) Binnen in de krijthelling ligt de grondwaterspiegel onder de grond; hij raakt het oppervlak alleen waar de onderkant van het krijt, die op de ondoorlatende schalie rust, op de helling naar buiten komt.

Oefening 17.8 ★★

Bij put A ligt de grond op 401 m; de grondwaterspiegel ligt op 336 m na het regenseizoen en op 314 m na het droge seizoen. (a) Hoe diep ligt het water onder de grond in elk seizoen? (b) Hoeveel meter zakt de grondwaterspiegel tussen de twee seizoenen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.8.

(a) Na het regenseizoen: $401 - 336 = 65$ m; na het droge seizoen: $401 - 314 = 87$ m. (b) $336 - 314 = 22$ m.

Oefening 17.9 ★★

Een boer wil een nieuwe put boven op de heuvel, aan het rechtereind van de doorsnede. Moet de put dieper of minder diep zijn dan put A? Leg uit met de grondwaterspiegel.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.9.

Dieper. De grondwaterspiegel volgt de vorm van het land, maar vlakker: boven op de heuvel ligt hij hoger dan onder put A, maar de grond stijgt veel meer, dus ligt het water verder onder het oppervlak (op de doorsnede meer dan 110 m diep).

Oefening 17.10 ★★

Een kubieke meter klei bevat 500 liter water, maar geeft er maar 20. Leg uit waarom een put die in klei is gegraven bijna geen water geeft, hoewel de klei er vol mee zit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.10.

De poriën van klei zijn piepklein: het water blijft aan de schilfers vastzitten en kan niet door de klei naar de put stromen. Klei is poreus maar ondoorlatend, dus loopt er maar weinig water (20 liter van de 500) uit weg.

Oefening 17.11 ★★★

Van al het zoete water op Aarde is 30.1 % grondwater en zit 0.26 % in meren. (a) Hoeveel keer meer zoet water is er onder de grond dan in de meren? (b) Van al het zoete water is ongeveer 69 % ijs en sneeuw. Welk deel blijft er over voor al het andere (grondwater, meren, rivieren, de lucht, de bodem…)? (c) Waarom is grondwater zo belangrijk voor drinkwater?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.11.

(a) $30.1 \div 0.26 \approx 116$: meer dan honderd keer zoveel. (b) $100 - 69 = 31$: er blijft ongeveer 31 % over, en grondwater alleen is daar al ongeveer 30 van. (c) Het is veruit de grootste voorraad vloeibaar zoet water; het ijs is bevroren en ligt meestal ver weg, in de poolgebieden en op bergen. En grondwater zit bijna overal onder onze voeten.

Oefening 17.12 ★★★

Twee boerderijen staan naast elkaar op hetzelfde krijt. Op een zomer installeert de eerste boerderij een krachtige pomp en vult een grote vijver; een paar weken later staat de put van de tweede boerderij droog, hoewel niemand eraan heeft gezeten. Leg uit wat er is gebeurd, en wat de twee boeren zouden kunnen doen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.12.

Beide putten halen water uit dezelfde watervoerende laag in het krijt. De krachtige pomp haalde er sneller water uit dan de regen het krijt bijvult, dus zakte de grondwaterspiegel in de hele omgeving, tot onder de bodem van de tweede put, die droog kwam te staan. De boeren zouden kunnen afspreken om minder te pompen, vooral in de zomer, samen één put te gebruiken, of de tweede put dieper te maken; vooral moeten ze niet meer water opnemen dan de regen terugbrengt.

17.8 Probleem: De boerderijput van de Varden Hills

Probleem 17.1

Weekendprobleem — de gesteenten onder een boerderij van de Varden Hills, het water dat in het krijt is opgeslagen, en hoeveel dagen het zonder regen zou volhouden

Een boerderij van de Varden Hills staat op het krijt, naast put A van de doorsnede. De boer wil weten hoelang de put de boerderij tijdens een lange droogte draaiende zou kunnen houden, als er helemaal geen regen kwam om het krijt bij te vullen.

Deel I — De gesteenten onder de boerderij.

1. Noem het gesteente waarop de boerderij staat, en het gesteente eronder. Welk van de twee is doorlatend?
2. Leg uit waarom er een bron stroomt aan de voet van de helling onder de boerderij.
3. Gebruik de doorsnede: de grond bij de boerderij ligt op 401 m en de grondwaterspiegel ligt na het regenseizoen op 336 m. Hoe diep ligt het water?
4. Na het droge seizoen ligt de grondwaterspiegel op 314 m. Put A is 100 m diep. Bereikt hij het water nog? Met hoeveel meter?

Deel II — Het water in het krijt. De boer kan het krijt rond de put droogpompen in een blok van 100 m lang, 50 m breed en 2 m dik, onder de grondwaterspiegel. Het krijt is een kalksteen: gebruik een porositeit van 20 % en een aandeel water dat wegloopt van 18 %.

5. Wat is het volume van het blok, in kubieke meter?
6. Hoeveel kubieke meter water vult de poriën?
7. Hoeveel kubieke meter water loopt eruit weg naar de put? Hoeveel blijft er in het krijt vastzitten?
8. Schrijf het water dat wegloopt in liter.

Deel III — Hoelang het meegaat.

9. De boerderij (huis, dieren en moestuin) gebruikt 18 kubieke meter water per dag. Hoeveel liter is dat?
10. Hoeveel water gebruikt de boerderij in een week?
11. Waarom raakt de voorraad water in het krijt in een normaal jaar niet op?
12. Hoeveel dagen zou het water dat uit het blok wegloopt de boerderij zonder enige regen kunnen bevoorraden?

Oplossing

Oplossing van Probleem 17.1.

1. De boerderij staat op krijt; daaronder ligt schalie. Het krijt is doorlatend, de schalie niet.

2. De regen zakt in het krijt en stopt op de schalie. Waar de onderkant van het krijt op de helling naar buiten komt, raakt de grondwaterspiegel de grond en komt het water naar buiten: dat is de bron.

3. $401 - 336 = 65$ m onder de grond.

4. De bodem van de put ligt op $401 - 100 = 301$ m, onder de grondwaterspiegel op 314 m: de put bereikt het water nog, met $314 - 301 = 13$ m.

5. $100 \times 50 \times 2 = 10\,000$ kubieke meter.

6. $10\,000 \times 20 \div 100 = 2000$ kubieke meter.

7. $10\,000 \times 18 \div 100 = 1800$ kubieke meter loopt weg; $2000 - 1800 = 200$ kubieke meter blijft vastzitten.

8. $1800 \times 1000 = 1\,800\,000$ liter.

9. $18 \times 1000 = 18\,000$ liter per dag.

10. $18 \times 7 = 126$ kubieke meter per week.

11. De regen van het natte seizoen zakt in het krijt en vult het elk jaar weer aan (zolang de boerderijen niet meer oppompen dan de regen terugbrengt).

12. $1800 \div 18 =$ 100 dagen: iets meer dan drie maanden zonder enige regen.