Deze nieuwe sensor kan op verschillende voertuigen gemonteerd worden waardoor het nu wel mogelijk is om bodemvocht te karteren met een zeer hoge ruimtelijke resolutie. Hierdoor wordt de hydrologische toepasbaarheid van deze technologie binnen Nederland enorm vergroot. Dit artikel laat aan de hand van een door stichting IJkdijk geïnitieerde studie zien wat de mogelijkheden zijn binnen de water sector en welke mogelijkheden wij in de toekomst verwachten.
Satellieten
In September 1968 werd er door de toenmalige Sovjet Unie de eerste radiometer gelanceerd onder de naam Kosmos 243. Deze radiometer was maar een maand in de ruimte, maar zijn observaties over Rusland waren direct opzienbarend. Deze satelliet sensor liet als eerste zien dat het mogelijk was om met een grote nauwkeurigheid vanuit de ruimte bodemvocht te meten in de eerste centimeters van de bodemlaag. Dit bijzondere nieuws werd al snel opgepikt door de Amerikanen en bij NASA stortte men zich, na het vertalen van de Russische documenten, massaal op dit onderwerp. Dit resulteerde in de eerste Amerikaanse microgolvenobservatie in 1973 vanuit het ruimte laboratorium Skylab. De ontwikkelingen gingen daarna door en vanaf oktober 1978 is men ook globaal dekkend gaan meten. Vanaf die tijd is de Aarde eigenlijk continu geobserveerd met verschillende microgolven radiometers, waardoor we nu dus een enorm archief hebben met informatie over mondiaal bodemvocht. Een van de meest recente satelliet sensoren, die puur voor bodemvochtobservatie is ontwikkeld, is de Soil Moisture Ocean Salinity (SMOS) missie van ESA. Deze satelliet is gelanceerd in november 2009 en produceert nu continu op globale schaal bodemvocht data. Binnen verschillende onderzoeksprogramma’s, waaronder het Climate Change Initiative programma van ESA (http://www.esa-soilmoisture-cci.org/) worden nu deze verschillende satelliet datasets onderzocht. er wordt gekeken of deze informatie op een constructieve manier geanalyseerd kan worden, zodat we wat meer kunnen zeggen over de kwetsbaarheid van onze huidige watervoorraden.
Met een ruimtelijke resolutie van +/- 50 km zijn deze satellietobservaties voor hydrologische toepassingen op regionale en locale schaal zoals in Nederland helaas vaak veel te grof. Dit is ook de voornaamste reden waarom deze datasets in de Nederlandse water sector nog nauwelijks gebruikt worden.
Deze ruimtelijke beperking werd de voornaamste drijfveer voor Miramap BV om een veld radiometer te ontwikkelen die ingezet kan worden op verschillende platforms, waaronder een vliegtuig, of een rijdend voertuig. Door het ontwikkelen van zo een multi-inzetbare radiometer kan de ruimtelijke resolutie sterk verbeterd worden, en worden de toepassingen binnen Nederland ook veel groter.
Grondonderzoek
Dit unieke instrument is nu doorontwikkeld door Miramap BV en werd, in het kader van een door IJkdijk geïnitieerd project omtrent een droogte onderzoek van veenkaden, ingezet voor het bepalen van bodemvocht variatie [1]. Binnen dit onderzoek werd er gekeken in hoeverre bodemvochtvariaties in de kadedijk konden worden gedetermineerd met de radiometer, en of deze gegevens gebruikt konden worden om zo de effecten van droogte te kunnen volgen. De gebruikte Miramap radiometer mat elke seconde met een ruimtelijke resolutie van 1 meter. De metingen waren gekoppeld aan GPS waarnemingen om zo ook de plaats van de observaties te bepalen.
Een microgolven radiometer meet de natuurlijke uitstraling van het grondoppervlak in het microgolvenbereik en drukt deze uitstraling uit in zogenaamde “helderheidtemperaturen”. Deze helderheidstemperaturen zijn een functie van de temperatuur, vocht en materiaal van de ondiepe ondergrond tot maximaal 1 meter diepte. Omdat water direct invloed uitoefent op het electro-magnetische veld, heeft de hoeveelheid water in de bodem een hele sterke relatie met de gemeten helderheidstemperaturen. Met behulp van speciale fysische modellen kan dan het bodemvocht signaal goed uit de gemeten helderheidstemperaturen gehaald worden.
Links: 1 oktober 2011 / Rechts:23 augustus 2011
Afb. 1 Ruimtelijk bodemvocht van de Kadedijk op twee verschillende tijdstippen. De blauwe lijnen geven de sloten weer. De linker sloot ligt bij de kruin van de kade en wordt aangegeven als het buitenwater en de rechter sloot ligt aan de teen van de kade en wordt aangegeven als de teensloot. De zwarte lijn geeft het meetveld aan. Verder zijn de microgolven waarnemingen geconverteerd naar bodemvocht. Ze laten duidelijk een sterke vochtdynamiek zien. De helling is het gevoeligste voor verdroging, en bij de teen (links bovenin) zijn een aantal natte zones zichtbaar, die ook het gehele jaar nat zijn.
Voor dit onderzoek werden er in 2011 en 2012 verschillende metingen verricht op de kadedijk van de Veenderij ten zuidwesten van Amsterdam. Met een fysisch model werden de microgolven metingen omgezet naar bodemvocht kaarten van ongeveer 30 bij 20 m.
De waarnemingen van bodemvocht uit de microgolven observaties werden gevalideerd met in situ waarnemingen van bodemvocht van de eerste 5 centimeter van de bodem. De metingen met behulp van de radiometer hadden een goede correlatie met deze grond-waarnemingen en een nauwkeurigheid van ongeveer 4 Vol.%. De verschillende gecreëerde bodemvochtkaarten laten een sterke ruimtelijke dynamiek zien, waarbij met name opvalt dat bepaalde locaties op de helling de grootste variatie in bodemvocht laten zien en een aantal locaties aan de teen van de dijk continu nat zijn. Dit is ook duidelijk de kwelzone van deze dijk. De gebieden op de helling met de sterkste variatie van bodemvocht in de tijd zijn het meest kwetsbaar voor droogte, omdat zij de sterkste uitdroging vertonen. Verder is in dit onderzoek ook aangetoond dat de bodemvochtwaarnemingen een goede correlatie hebben met de grondwaterstanden tot ongeveer 1 meter diepte. Hierdoor kunnen observaties met een microgolven radiometer worden gebruikt om freatische lijnen van de veenkaden te bepalen. Dit is met name belangrijk bij onderzoek naar de stabiliteit van dijken, omdat de freatische lijn een belangrijke parameter is in stabiliteitsberekeningen. Deze potentiele nieuwe toepassing moet echter in een vervolg studie nog verder onderzocht worden, omdat nog niet goed bekend onder welke (hydrologische) omstandigheden de radiometer ingezet kan worden om een nauwkeurige schatting te kunnen maken van de freatische lijnen.
Stand van Zaken
Dit onderzoek op de kadedijk heeft aangetoond dat:
- microgolven radiometrie op een non-destructieve en efficiënte manier nauwkeurig bodemvocht kan karteren met een ruimtelijke resolutie van 1 m.
- Nauwkeurige bodemvocht kaarten informatie verschaffen over de water huishouding van de dijk.
- Nauwkeurige bodemvocht informatie in de tijd gebruikt kan worden om de kwetsbaarheid van de kadedijk in kaart te brengen.
Een ander groot voordeel is dat de radiometer licht en mobiel is waardoor het mogelijk is om hem op verschillende platforms te plaatsen. Deze flexibiliteit draagt eraan bij dat er meerdere hydrologische toepassingen zijn. Zo is de sensor al op een quad geïnstalleerd voor een project van Rijkswaterstaat in Zeeland [2], waarbij het mogelijk werd om in korte tijd grote afstanden in kaart te brengen (zie Afbeelding 3). Bij dit project werden plotselinge veranderingen in de dijkbekleding in kaart gebracht [2]. Daarnaast werd het bij dit onderzoek ook duidelijk dat deze sensor prima functioneert in een zout milieu. Tenslotte kan de sensor ook onder een vliegtuig geplaatst worden of onder een onbemande helikopter waardoor er zelfs nog grotere gebieden adequaat in kaart gebracht kunnen worden.
Afb. 2: Links; Het microgolven scanner systeem is hier gemonteerd op een utility quad waardoor je op een snelle manier een dijk kunt inmeten (meting bij Kattendijke, Zeeland.) Rechts; De microgolven scanner is hier gemonteerd op een buggy waardoor je op een zeer gedetailleerde manier een dijk kan inmeten (Meting van de dijkbekleding bij de Zeelandbrug). De buggy configuratie is ook het meeste geschikt voor complexe gebieden (denk bijvoorbeeld aan een veenkade met veel hekken). Voor meer informatie zie http://www.zeeweringenwiki.nl/mediawiki/index.php/Miramap
In de nabije toekomst verwachten we dat deze technologie in combinatie met hydrologische modellen en andere meettechnieken onze hydrologische kennis en met name onze kennis over de vochtdynamiek in de onverzadigde zone sterk zal vergroten. Er zijn verschillende toepassingen denkbaar. Zo kan de radiometer vrij gemakkelijk kwel zones in kaart brengen, maar hij kan ook ingezet worden om effecten van droogte te bepalen. Met behulp van deze technologie kan de bodemvochtverdeling van een landbouwveld worden bepaald, waardoor er op een efficiëntere manier geïrrigeerd kan worden, maar er kunnen ook lekkende leidingen mee getraceerd worden. Daarnaast is het een heel krachtig instrument voor het inplannen van meetinstrumenten zoals peilbuizen of vochtspanning -ensoren voor het monitoren van kadedijken op een langere termijn.
De radiometer zou ingezet kunnen worden voordat een meetcampagne begint. Met de metingen is het dan mogelijk om snel een goed beeld van de ruimtelijke verdeling van bodemvocht te krijgen. Deze informatie kan direct gebruikt worden bij een verdere meetstrategie, waardoor de meetinstrumenten juist op de representatieve of kwetsbare plekken van het ingemeten gebied gezet kunnen worden. Daarnaast geeft zo een snelle scan direct informatie over de ruimtelijke variabiliteit van het gebied waardoor eventuele boringen ook gerichter ingezet kunnen worden. Kortom een legio aan mogelijkheden. Passieve microgolven radiometrie heeft binnen de wetenschap al een heel belangrijke bijdrage geleverd maar daarbuiten is deze technologie helaas nog steeds onbekend. Hiermee kan daar nu verandering in komen.
Referenties
[1] Monitoring droogteonderzoek veenkaden, Eindrapportage, ing. G. de Vries, kenmerk 1203255-006, december 2012.
[2] De Jeu R.A.M., R. Haarbrink en Y. Provoost (2011) Rijkswaterstaat houdt dijken in de gaten met radiometer, Land & Water, 8, 24-25
Dankwoord
Dit werk was gedeeltelijk gefinancierd door het droogte onderzoek van veenkades van stichting IJkdijk. Daarnaast willen we Waternet bedanken voor het beschikbaar stellen van de kadedijk van de Veenderij ten zuidwesten van Amsterdam.
