Effect van WKO-systemen op verspreiding verontreinigingen

Wat is het probleem?

In binnenstedelijke gebieden zijn vaak op grote schaal historische bodem- en grondwaterverontreinigingen aanwezig. In sommige steden in Nederland kunnen warmte-koude opslag (WKO) systemen (open bodemenergie-systemen) alleen gebruikmaken van de watervoerende lagen waarin ook verontreinigingen voorkomen. In stedelijke gebieden is de vraag naar ondergrondse ruimte voor de opslag van thermische energie vaak ook groter dan het aanbod, daarom worden bodemenergie-bronnen vaak dichtbij elkaar aangelegd. Het was tot nog toe onduidelijk hoe de interactie van meerdere WKO-systemen binnen dergelijke gebieden de verspreiding van aanwezige verontreinigingen beïnvloedt en welke factoren de risico’s bepalen voor omringende gebieden, zoals waterwingebieden. Door middel van modelstudies, die zowel op lokale als op regionale schaal alle relevante verspreidingsprocessen goed beschouwen, heeft KWR hierin meer inzicht verschaft.

De belangrijkste verspreidingsmechanismen

Een belangrijk verspreidingsmechanisme is een verontreiniging uit de ene bron onttrekken en direct weer infiltreren in een andere bron (recirculatie-effect). Omdat in de praktijk WKO-systemen vaak met meerdere warme en koude bronnen werken, kan een verontreiniging die uit één (bijv. warme) bron wordt onttrokken, sterk verdund in alle koude bronnen tegelijk worden geïnfiltreerd. Door die verspreiding naar meerdere infiltratiebronnen neemt de snelheid waarmee verontreinigingen verspreiden en de afstand die ze daarbij afleggen sterk toe.

Een ander belangrijk mechanisme is het “overspringen” van verontreinigingen van het ene naar het andere WKO-systeem. In gebieden met veel activiteiten in de ondergrond worden bodemenergie-systemen onderling gepositioneerd op basis van hun (verwachte) thermische invloed straal (vaste lijnen). Omdat de hydrologische invloed straal (gestippelde lijnen) circa 1,5x groter is dan de thermische straal en verontreinigingen in grondwater zich veelal net zo ver verplaatsen als de hydrologische invloedssfeer, kunnen verontreinigingen overspringen van één bodemenergie-systeem naar een ander. In combinatie met het recirculatie-effect kan een verontreiniging binnen 1,5 jaar na aankomst in één bodemenergie-bron overspringen naar een bron van een ander systeem op honderden meters afstand.

 

In gebieden met veel bodemenergie-bronnen zijn de hydrologische en thermische invloed gebieden bovendien niet mooi rond. Door de interactie tussen stijghoogteveranderingen in nabijgelegen bodemenergie-bronnen kan er kortsluitstroming optreden: dit versterkt het effect van de overlappende hydraulische invloeden.

Case uit de praktijk: Centrum-gebied Utrecht

Als case voor de modellering op grote ruimtelijk schaal is het centrumgebied van Utrecht geselecteerd, waarbij dankbaar gebruik is gemaakt van ondersteuning door Vitens en de gemeente Utrecht met aanlevering van data, modellen en praktijkinzichten. Uit de case studie bleek dat een puntbron zich in 10 jaar tot over het grootste deel van het gebied heeft verspreid. De snelheid waarmee verontreinigingen zich verspreiden door het centrumgebied bleek mét WKO-systemen circa 10 keer hoger dan zonder WKO-systemen.

Implicaties voor de praktijk

In drukke gebieden wordt de verspreiding van verontreinigingen door de aanwezige WKO-systemen zodanig versterkt, dat binnen 5-10 jaar elke aanwezige verontreiniging sterk verdund over het hele gebied is verspreid. Door de verhoogde stroming zorgen de bodemenergie-systemen er ook voor dat brongebieden met zaklagen (“bellen” verontreiniging die zwaarder zijn dan water, ook wel aangeduid als DNAPLs) meer verontreiniging naleveren. Zo ontstaat een grotere vracht aan verontreiniging in het gebied.

Verbeterde modellering

Met de standaard modelleringssoftware is het niet goed mogelijk om bij WKO-systemen met meerdere bronnen het recirculatie-effect goed te simuleren. In eerder uitgevoerde studies is de verspreiding van verontreinigingen door WKO-systemen dus stelselmatig onderschat. KWR heeft een methode ontwikkeld waarmee ondanks de beperking in modelleringssoftware, de verspreiding toch waarheidsgetrouw kan worden berekend. Daarnaast verkent KWR momenteel de mogelijkheid om het modelinstrumentarium op dit punt structureel te verbeteren. Versnelde verspreiding alleen bij onderlinge hydrologische beïnvloeding WKO-systemen.

In de huidige situatie leidt de snellere verspreiding van verontreinigingen door bodemenergie-systemen niet tot noemenswaardige verkorting van de reistijden van verontreinigingen naar de drinkwaterwinningen van Vitens die buiten Utrecht liggen. De versnelde verspreiding en verdunning treedt alleen op in het gebied waarbinnen de WKO-systemen elkaar hydrologisch beïnvloeden. De winningen liggen op voldoende afstand van het gebied waarin WKO-systemen tot versnelde verspreiding van verontreinigingen leiden en het effect op de totale reistijd is dan ook beperkt. Het is daarom belangrijk om rondom winningen in pakketten waarin ook WKO-systemen en verontreinigingen zitten een voldoende grote buffer te hanteren, waarin geen andere bodemenergie-systemen aanwezig zijn. Dat is nodig om te voorkomen dat er een kortsluiting naar de winning wordt aangelegd vanaf een bepaald brongebied. Tegelijkertijd blijft het mogelijk om WKO-bronnen in drukke ondergrond onderling te blijven plaatsen op bais van hun thermische beïnvloedingsgebieden: dat helpt om het verspreidingsgebied van verontreinigingen compact te houden.