TECHNIEKSHEET

Onderzoekstechniek: Medusa

Versie: November 2019

[Naar zoekapplicatie]

Samenvattende omschrijving techniek (gebaseerd op praktijkervaring van onafhankelijk techniekexpert)

De Medusa is een sensor die een aantal meettechnieken bevat waarmee de waterbodem in kaart wordt gebracht. De sensor wordt achter een boot over de waterbodem gesleept en meet de ligging en samenstelling van de waterbodem. Het systeem bevat een [Gamma-ray sensor] (voor het karteren van de sedimentsamenstelling of chemische kwaliteit), geluidsensor (voor het karteren van de bodemruwheid of aanwezigheid van objecten) en druksensor (voor het meten van de waterdiepte).

NB: De gamma-ray sensor is een sensor die ook veel wordt toegepast voor onderzoek naar landbodems. Deze beschrijving van de Medusa gaat vooral in op het onderzoek naar waterbodems.

Algemene informatie (gebaseerd op informatie van techniekaanbieder)

Naam

Medusa (Multi-Element Detector system for Underwater Sediment Activity)

Meeteenheid en parameter

Gammastraling (Bq/kg), geluidsdruk (dB), waterdruk (N/m2).

Bodemfase

Aard techniek

Plaats van toepassing

Detectiewijze

Toepasbaar in afzonderlijke lagen

Minimale dikte laag:

Bodemtypen waarvoor techniek geschikt is

Landbodem/waterbodem

Stap in keten van dataverzamelen

Moment van beschikbaarheid resultaten

Ontwikkelingsfase techniek

Wijze van inkopen

Algemene omschrijving uitvoeringswijze

Bij metingen aan de onderwaterbodem wordt een sensor in een beschermende PVC-buis met een kabel achter een schip over het sediment gesleept. Voor een goede meting moet de sensor in contact met de waterbodem staan. Om dit te bereiken wordt een gewicht aan de kabel vastgemaakt. Tijdens de meting wordt de positie van het schip en de sensor bepaald met behulp van een RTK-GPS systeem.

Werkingsprincipe

Het Medusa systeem bestaat uit drie sensoren. Deze gammasonde meet de concentraties van een aantal in de bodem aanwezige radioactieve stoffen. Deze stoffen zijn 40K, 232Th, 238U en - soms - 137Cs. Van deze stoffen is 137Cs het gevolg van het kernongeluk bij Tsjernobyl, de overige drie komen van nature voor in de bodem. De gammastraling wordt gedetecteerd met een scintillatie kristal en een fotomultiplier buis. De meting is passief, wat betekent dat er geen straling wordt uitgezonden of met bronnen wordt gewerkt maar de natuurlijke straling die uit de bodem komt wordt gemeten.

1. Gamma-ray sensor (spectrometer)
   Deze sensor meet de concentraties van een aantal in de bodem aanwezige radioactieve stoffen. Deze stoffen zijn 40K, 232Th, 238U en - soms - 137Cs. Van deze stoffen is 137Cs het gevolg van het kernongeluk bij Tsjernobyl, de overige drie komen van nature voor in de bodem. De gammastraling wordt gedetecteerd met een scintillatiekristal en een photomultiplierbuis. De meting is passief, wat betekent dat geen straling wordt uitgezonden of met bronnen wordt gewerkt maar de natuurlijke straling die uit de bodem komt wordt gemeten. De concentraties radionucliden zijn een gidsparameter (“proxy”) voor de fysische en chemische samenstelling van de waterbodem. Nadat een concentraties radionucliden zijn gemeten, wordt op basis van deze veldmetingen een aantal (ongeveer 5-10) bodemmonsters genomen. Van elk van deze monsters wordt in het lab zowel de concentratie radionucliden, als ook de textuur en (indien gewenst) de chemische kwaliteit bepaald. Door de fysisch/chemische eigenschappen van de monsters te relateren aan de concentraties radionucliden in de monsters, kan (meestal) een verband worden vastgesteld waarmee de veldmeting kan worden vertaald naar bodemeigenschappen. Deze omrekening werkt omdat in het veld en in het lab exact dezelfde grootheid wordt gemeten. Dit in tegenstelling tot alle andere geofysische methoden waarin altijd sprake is van “ground-truthing”. In die zin is de Medusa methode eigenlijk geen geofysische alswel een geochemische meetmethode.
2. Geluidssensor
   Met de geluidsensor wordt de ruwheid van de bodem gemeten. Wanneer de bodem heel ruw is (door grof zand, stenen, puin) wordt meer geluid gegeneerd dan wanneer de bodem heel glad is (bijvoorbeeld als er slib ligt). Vergelijk het maar met toepassen van grof schuurpapier op een houten tafel (geeft veel geluid) en fijn schuurpapier op een houten tafel (geeft weinig geluid). Dit is een kwalitatieve meting, maar de kaarten van de hoeveelheid geluid geven bijvoorbeeld een goed beeld waar puin en afval op de waterbodem voorkomt, zodat hier gericht vervolgonderzoek kan plaatsvinden.
3. Druksensor
   De druksensor meet de waterdruk boven de sonde. Aangezien de sonde over de bodem sleept kan hiermee de waterdiepte worden gekarteerd. Hieruit kan de bodemhoogte of topografie van de waterbodem in beeld worden gebracht.

Punt / lijnmeting / volumemeting

Technische specificaties

(w.o. nauwkeurigheid)

De nauwkeurigheid van de in het veld gemeten nuclide concentraties (veldmetingen) is beter dan 10% per meetpunt. Per vak of veld zijn er normaal gesproken honderden tot duizenden meetpunten. Gemiddeld over een meting is de nauwkeurigheid van de meting dus veel beter dan 10%.

De nauwkeurigheid van het eindresultaat is een combinatie van de nauwkeurigheid van de veldmetingen en de kwaliteit van het omrekenmodel. Deze is op zijn beurt afhankelijk van de nauwkeurigheid van de chemische/fysische analyses. In het algemeen is deze laatste in de praktijk de grootste bron van onnauwkeurigheden.

Als richtlijn voor de nauwkeurigheid van de in kaart gebrachte chemische/fysische kwaliteit van de (water)bodem wordt daarom de nauwkeurigheid van de chemische/fysische laboratoriumanalyses gehanteerd.

Typisch dieptebereik

0 tot 0,30-0,50m

Tijdeigenschappen

De gammadetector wordt met een snelheid van ca. 2 m/s (5-10 km/h) over de bodem gesleept. Binnen 1-10 sec. is een spectrum opgebouwd wat automatisch geanalyseerd kan worden.

Meetsnelheid

Op een dag kan 60 km raai worden gevaren en in kaart worden gebracht. De raai heeft een breedte van 20m. Rijdend kan per dag 20 tot 40 hectare worden ingemeten met een raaibreedte van 10 m.

Presentatie resultaten

Sedimentkaarten. Fysische bodemsamenstellingskaarten zoals zand- en kleigehalte.

Kosten

Veldwerk: € 1.500 à € 2.500 per dag (afhankelijk van water of land waarop wordt gemeten)

Apparatuur: € 20.000 à € 120.000

Trends en ontwikkelingen

-

Illustratie

[Figuur]

Gebruikersinformatie (gebaseerd op praktijkervaring van onafhankelijk techniekexpert)

Beschikbaarheid

Wordt techniek vaak toegepast?

Onderzoeksfase waarin techniek toepasbaar is

Verificatiemetingen / ijkmetingen

Veel gebruikte toepassing in praktijk

Voor het gebiedsdekkend in kaart brengen van sedimentypen in kanalen en rivieren ter voorbereiding op bijvoorbeeld baggerwerken.

Voor het monitoren van sedimenttransport, voor het monitoren van baggerwerk.

In de meeste gevallen wordt de methode ingezet eerste stap in een onderzoek om te komen tot een optimale vakindeling van het onderzoeksgebied. De methode wordt daarom meestal gebruikt om gebieden snel en goed gefundeerd te verdelen in verdachte of vervuilde vakken en schone vakken. Op basis hiervan kan vervolgens de onderzoeksstrategie met ‘klassieke’ boringen en monstername worden ingevuld.

De vakindeling kan worden vertaald naar een klasse-indeling of naar een kaart met gehalten aan verontreiniging.

Geschiktheid

Geschikt voor het in kaart brengen van de waterbodem van grote en diepere wateren verontreinigende stoffen.

Geschikt voor het in kaart brengen van de fysische samenstelling van de landbodem in onbebouwd gebied. Zie hiervoor de techniek [Gamma-ray sensor].

Praktijkervaringen in Nederland

De techniek wordt geregeld toegepast in Nederland.
Enkele typische voorbeelden zijn:

• in kaart brengen van de globale sedimentsamenstelling (puin) ten behoeve van baggerwerken;
• in kaart brengen morfologie waterbodem;
• maken zandslibkaart;
• ondersteuning bij sediment transport studie naar de verspreiding van gestorte baggerspecie.

“Do's“

Voor de interpretatie moeten fysieke monsters gestoken worden die in een laboratorium geanalyseerd worden op karakteristieke radiometrische fingerprints.

Met de ruwe veldgegevens (variatiekaart) kunnen direct na de meting gericht monsters worden genomen.

“Don'ts “

De sensor niet in de waterbodem laten wegzakken.

Plaatsbepaling van de data wordt uitgevoerd op het schip terwijl de sensor achter het schip aan wordt gesleept; de plaatsbepaling moet daarom worden gecorrigeerd.

Ook geschikt voor

Vaststellen morfologische veranderingen, archeologische verkenningen/karteringen, vaststellen bodemruwheid asfalt, asfaltsamenstelling (verschillen in steenslagtoevoegingen) of het vlakdekkend en plaatsspecifiek in kaart brengen van bodemeigenschappen van landbouwgronden en sport- en recreatieterreinen (landbodems) ten behoeve van gerichte bewerking of bemesting.

Achtergrondinformatie / Links

Bodemstandaard

VKB-protocol 2003

Literatuur

STOWA: Inventarisatie meetmethoden voor het bepalen van baggervolumes

Roberti, j. r. (2001). Meten met medusa. Den Haag, Ministerie van Verkeer en Waterstaat / RIKZ: 1-30.

Van Wijngaarden, M., G. A. van den Berg, et al. (2000). Bodem in beeld. Dordrecht, RIZA.

Van der Graaf, E. R., R. L. Koomans, et al. (2007). "In situ radiometric mapping as a proxy of sediment contamination: assessment of the underlying geochemical and -physical principles." Applied Radiation and Isotopes 65(5): 619-633.

Correlations between sediment contaminants like heavy metals or organic micro-compounds and natural or anthropogenic radionuclides (40k, 238u, 232th, 137cs).

Koomans, R. L., J. Limburg, et al. (2008). "Towards lightweight airborne gamma spectrometry, a case study." Whitepaper Medusa Explorations BV.

Koomans, R. L. and S. Stutterheim (2004). "Monitoring sludge disposal." Hydro International 8(3).

De Meijer, r. j. (1998). "Heavy minerals: from 'Edelstein' to Einstein." Journal of Geochemical Exploration 62(1-3): 81-103.

Van Wijngaarden, M., l. B. Venema, et al. (2002). "Radiometric sand mud characterisation in the Rhine-Meuse estuary. part b: in situ mapping." geomorphology 43: 103-116.

Van Wijngaarden, M., L. B. Venema, et al. (2002). "Radiometric sand-mud characterisation in the rhine-meuse estuary part a. Fingerprinting." Geomorphology 43: 87-101.

F.M. van Egmond, E. H. Loonstra, J. Limburg (2008). Gamma-ray sensor for topsoil mapping; the mole. First workshop on High Resolution Digital Soil Sensing and Mapping, in Sydney, Australia.

"Toepassing geofysische technieken bij grootschalig bodemonderzoek", SKB, PT7440.

Hyperlinks (internet)

Medusa