Kunnen we naar grondwater luisteren?

Grondwater houdt ons land draaiende, maar wat er zich onder onze voeten afspeelt, blijft verrassend onbekend. Een nieuw interdisciplinair VUB-project wil dat onzichtbare waterleven eindelijk hoorbaar maken, dankzij innovatieve glasvezeltechnologie die letterlijk naar de ondergrond luistert. Professor Marijke Huysmans: “De eerste poging ooit om de ondergrond in real time te laten vertellen wat hij doet.”

Het is een onzichtbare, maar onmisbare schakel in onze samenleving. Het voorziet ons van drinkwater, ondersteunt landbouw en industrie, en helpt ecosystemen overleven in tijden van droogte. Toch blijft het gedrag van grondwater grotendeels verborgen, terwijl het onder onze voeten door loopt. Hoe snel stroomt het? In welke richting? En hoe reageert het op klimaatverandering of waterwinning?
Om deze vragen te beantwoorden, maken wetenschappers gebruik van computermodellen. Die modellen zijn essentieel voor beleidsmakers en waterbeheerders, maar bevatten vandaag nog grote onzekerheden. De belangrijkste reden: we meten vooral grondwaterstanden, maar zelden hoe grondwater écht stroomt.
Een nieuw interdisciplinair FWO-onderzoeksproject aan de Vrije Universiteit Brussel wil daar verandering in brengen. Het project wordt geleid door prof. Marijke Huysmans (vakgroep Water en Klimaat - HYDR) en prof. Francis Berghmans (vakgroep Toegepaste Natuurkunde en Fotonica - TONA). Opvallend is dat zij dit baanbrekende onderzoek combineren met belangrijke beleidsrollen binnen de universiteit: Francis Berghmans is decaan en Marijke Huysmans vice-decaan van de Faculteit Ingenieurswetenschappen. Hun betrokkenheid toont aan hoe strategisch academisch leiderschap en fundamenteel onderzoek perfect hand in hand kunnen gaan.

De centrale onderzoeksvraag klinkt bijna poëtisch: kunnen we naar grondwater luisteren?

Waarom grondwaterstroming zo belangrijk is
Grondwater is voortdurend in beweging, zij het traag en geruisloos. Het sijpelt door zand en klei, of stroomt sneller door scheuren in gesteente. Die beweging – de zogenaamde grondwaterflux – bepaalt hoe snel water wordt aangevuld, hoe vervuiling zich verspreidt en hoe robuust een watersysteem is tijdens droogteperiodes.
Traditionele metingen geven vooral informatie over waterniveaus in peilbuizen. Maar twee gebieden met gelijkaardige waterstanden kunnen totaal verschillende stromingspatronen hebben. Dat maakt het moeilijk om betrouwbare voorspellingen te doen over de impact van droogte, infiltratie of waterwinning.
Door rechtstreeks de stroming van grondwater te meten, kunnen modellen veel nauwkeuriger worden. Alleen: zulke metingen zijn technisch uiterst uitdagend, zeker omdat grondwaterstroming sterk varieert in ruimte en tijd.

Glasvezels als ondergrondse sensoren
Het VUB-project brengt twee expertisedomeinen samen die zelden gecombineerd worden: grondwaterwetenschap en geavanceerde glasvezeltechnologie. Glasvezels, bekend van telecom- en datanetwerken, blijken ook extreem gevoelig voor minieme trillingen en vervormingen. De onderzoekers onderzoeken twee complementaire meetmethoden:
Luisteren met licht: Distributed Acoustic Sensing. Bij Distributed Acoustic Sensing (DAS) wordt een laserpuls door een glasvezelkabel gestuurd. Een klein deel van het licht wordt onderweg teruggekaatst. Wanneer de glasvezel heel lichtjes vervormt, bijv. door trillingen in de bodem, verandert dat teruggekaatste licht. Door deze veranderingen te analyseren, kan men detecteren waar en wanneer er beweging optreedt langs de vezel.

Wanneer grondwater stroomt, veroorzaakt dit uiterst kleine trillingen in de bodem en in de glasvezel zelf. DAS maakt het mogelijk om die signalen over honderden meters tegelijk te registreren. Het systeem “luistert” dus niet met een microfoon, maar met licht. Zo wordt licht ingezet als een uiterst gevoelig “gehoor” voor ondergrondse processen die tot nu toe onzichtbaar bleven.
Hoewel DAS al gebruikt wordt voor aardbevingen, verkeer en pijpleidingen, is het nog nooit toegepast op natuurlijke grondwaterstroming. Dat maakt dit onderzoek hoog-risico, maar ook potentieel baanbrekend.
Richting en snelheid met Fibre Bragg Gratings. Daarnaast gebruikt het project Fibre Bragg Gratings (FBG’s): kleine sensoren die in een glasvezel zijn aangebracht. Door het water lokaal lichtjes te verwarmen en te meten hoe die warmte wordt afgevoerd, kan men bepalen hoe snel en in welke richting het grondwater stroomt. Deze methode levert zeer gedetailleerde, lokale informatie en vormt een perfecte aanvulling op DAS.

Van labo naar praktijk
Het onderzoek verloopt in verschillende stappen. Eerst worden de sensoren getest in gecontroleerde labo-omgevingen, eigenlijk in een zandbak. Vervolgens worden ze ingezet op twee realistische testlocaties: een ondiepe watervoerende laag in landbouwgebied, waar grondwater sterk varieert door irrigatie en drainage en een dieper gelegen gesteente, gebruikt voor ondergrondse wateropslag als bescherming tegen droogte.
De meetgegevens worden dan geïntegreerd in geavanceerde onzekerheidsmodellen. Zo kan worden nagegaan hoeveel beter grondwatermodellen worden wanneer stromingsmetingen worden toegevoegd aan klassieke peilmetingen.

Maatschappelijke relevantie
Betere grondwatermodellen betekenen betere beslissingen. Voor drinkwaterbedrijven, landbouwers, overheden en milieubeheerders kan dit leiden tot duurzamer watergebruik, betere voorbereiding op droogte, minder risico op vervuiling en nog sterkere wetenschappelijke onderbouwing van klimaatadaptatie.
Dat dit onderzoek wordt gedragen door een decaan en vice-decaan die tegelijk instaan voor het beleid van de faculteit, benadrukt de VUB-visie waarin onderzoek, onderwijs, universitaire dienstverlening en maatschappelijke verantwoordelijkheid elkaar versterken.

Stemmen uit het project

Prof. Marijke Huysmans: “We hebben lang geprobeerd grondwater te begrijpen door alleen naar waterstanden te kijken. Door ook de grondwaterstroming te meten en te integreren in grondwatermodellen, kunnen we de onzekerheid van onze voorspellingen drastisch verminderen en betere keuzes maken voor de toekomst van ons waterbeheer.”

Prof. Francis Berghmans, decaan Faculteit Ingenieurswetenschappen: “Dat we met glasvezels en licht subtiele bewegingen diep in de bodem kunnen waarnemen, toont hoe fundamentele technologie nieuwe deuren opent. Het is precies dit soort onderzoek dat een ingenieursfaculteit vooruit stuwt.”