Bruikbaarheid van het NAP voor bodembeweging

Het hoogtesysteem in Nederland is gedefinieerd ten opzichte van het NAP (Normaal Amsterdams Peil). In het dagelijkse spraakgebruik bedoelen we met ‘het NAP’ dus eigenlijk het NAP-nulvlak. Het NAP is voortgekomen uit het Amsterdams Peil (AP). Dit was bepaald als niveau van de gemiddelde vloed op het IJ in Amsterdam omstreeks 1700. De huidige vastlegging van het NAP-nulvlak is niet meer gelijk aan het oude AP-vlak. Ook is het ten gevolge van zeespiegelstijging, bodemdaling, en de afsluiting van het IJ niet meer gelijk aan de gemiddelde vloed.

Beheer van het NAP

Hoogtes tussen NAP peilmerken worden ruimtelijk overgebracht via waterpassingen. De eerste “serieuze” waterpassing is uitgevoerd door de toenmalige Rijkscommissie voor Graadmeting en Waterpassing (nu NCG). In 1888 is het beheer van de waterpassingen terechtgekomen bij Rijkswaterstaat. Op het moment is Rijkswaterstaat CIV verantwoordelijk voor het beheer van het NAP. Dit wordt in samenwerking gedaan met het Kadaster in de Nederlandse Samenwerking Geodetische Infrastructuur (NSGI).

Wat is het NAP?

Het Normaal Amsterdams Peil is een ‘peil’, dat wil zeggen: een hoogtereferentievlak. ‘Het NAP’ is dus gelijk aan het NAP-nulvlak. Dit vlak is een ‘afspraak’, die dus in feite vrij willekeurig is. In de geodesie heet zo’n afspraak een referentiesysteem. Ook al heeft ‘het NAP’ een fysische achtergrond , de waarde van ‘nul-NAP’ kan niet fysisch geïnterpreteerd worden.

Omdat het NAP-nulvlak denkbeeldig is (je kunt het immers niet aanraken) moet het voor de praktijk worden ‘vastgelegd’. Dit gebeurde (en gebeurt nog steeds) middels peilmerken. Deze peilmerken zijn fysische objecten, waarvan we het hoogteverschil met het denkbeeldige NAP-nulvlak denken te weten en genoteerd hebben. Daardoor zijn hoogten van nieuwe onbekende punten te bepalen ten opzichte van zo’n peilmerk, en door de genoteerde hoogte van het peilmerk is deze vervolgens weer te koppelen aan het NAP-nulvlak. Een samenhangende set van peilmerken waarvan de NAP-hoogte bekend verondersteld wordt noemen we in de geodesie een referentiestelsel (eng; reference-frame). Een referentiestelsel is dus de fysieke realisatie van een referentiesysteem.

In discussies waarin ‘het NAP’ genoemd wordt, is het erg belangrijk om een verschil te maken tussen de afspraak, of definitie, van het NAP-nulniveau enerzijds, en de realisatie daarvan anderzijds. De realisatie kan immers door allerlei oorzaken niet meer voldoen. Voorbeelden hiervan zijn de Amsterdamse Huddestenen, die zelf natuurlijk autonoom konden verzakken, zonder dat daarmee het NAP-nulniveau verandert, en de historisch bekende NAP-paal onder de Dam in Amsterdam, die het nul-vlak had moeten vastleggen, maar dat al snel niet meer deed omdat de paal zelf ook niet stabiel genoeg was. Het referentiestelsel wijkt dan dus af van het referentiesysteem. Het niet-onderkennen van dit verschil is desastreus in discussies over zeespiegelvariatie en bodembeweging.

De NAP-realisatie is momenteel een samenhangend net van peilmerken voorzien van een hoogte die een op een bepaald moment gemeten, vereffende, en genoteerd is, en een afgesproken kwaliteit (precisie en betrouwbaarheid) heeft. Doordat we de hoogten tussen het ene en het andere peilmerk overbrengen door middel van waterpassing, zijn hoogteverschillen afhankelijk van de massaverdeling van de aarde. Een vlak van gelijke hoogte heet een niveauvlak, en is dus geometrisch gezien geen plat vlak, maar een ‘gebobbeld’ vlak.

Het oorspronkelijk afgesproken NAP-nulvlak (volgend uit de metingen van 1683/84) is achtereenvolgens op verschillende manieren vastgelegd, o.a. via Huddestenen, en de ‘nulpaal’ in Amsterdam onder de Dam. Momenteel denken we dat we een groepje van 6 ondergrondse palen op de zandwallen van de Veluwe en de Utrechtse Heuvelrug als ‘stabiel’ mogen veronderstellen, en gebruiken we het gemiddelde daarvan als vastlegging van het NAP-nulvlak.

Het vlak dat we momenteel als NAP-nulvlak beschouwen, middels deze vastlegging via de 6 palen, is dus niet meer hetzelfde als het ‘afgesproken’ NAP-nulvlak ten tijde van 1683/84, om minimaal twee redenen.

Bij het overhevelen van het NAP-nulvlak tussen de verschillende referentiestelsels worden fouten gemaakt (van stadskantoor naar Huddestenen, van Huddestenen naar Dampaal, van Dampaal naar de palen op de zandwallen)
We weten nu dat de bodem helemaal niet stabiel is: peilmerken op kademuren verzakken, ondergrondse palen gefundeerd op slappe lagen verzakken, en er zijn allerlei soorten geologische bodembewegingen die plaatsvinden ver onder de funderingsniveaus van de (huidige) ondergrondse merken, die dus niet worden verdisconteerd in de genoteerde hoogten.

Hieruit valt af te leiden dat de fysieke objecten die het NAP-nulvlak vastleggen, daar eigenlijk zeer slecht toe in staat zijn. Hierdoor is het oorspronkelijke NAP-nulvlak echter niet veranderd, dat is er nog steeds, want het was immers gewoon een afspraak, maar de getallen die nu genoteerd zijn in de databases van Rijkswaterstaat zijn niet meer de juiste hoogtes ten opzichte van het afgesproken NAP-nulvlak.

De vraag is nu: ‘is dat erg?’ Dat hangt er van af waar we het NAP-nulvlak voor willen gebruiken. We moeten onthouden dat de definitie van het NAP-nulvlak arbitrair was, en dat de realisatie middels peilmerken nooit bedoeld was om bodemdaling te meten. Voor de dagelijkse civiele praktijk is het afdoende, net zoals de Newtonse mechanica afdoende is om een hele hoop dagelijkse problemen te kunnen verklaren. Wanneer we echter geïnteresseerd zijn in langzame, langdurige en ruimtelijk uitgestrekte fysieke processen zoals bodemdaling, dan is de huidige vastlegging van het NAP-nulvlak verre van voldoende.

Deze beperking voor de toepassing van bodembeweging blijkt verder nog door het huidige beheer van het netwerk van NAP peilmerken. Daarover hieronder meer. Eerst bekijken we hoe het Nederlandse netwerk van peilmerken er uit ziet.

Overzicht van primaire en secundaire NAP peilmerken

Bron: Presentatie B.Albers (RWS)

In Nederland wordt de vastlegging van het NAP-nulvlak gerealiseerd d.m.v. waterpassingen. Omdat Nederland relatief vlak is, zijn correcties voor zwaartekrachtvariaties niet nodig. De hoogtes worden dus berekend uit de gewaterpaste hoogteverschillen en niet uit geopotentiaalverschillen.
De kwaliteit van de waterpassingen is afhankelijk van het meetproces. Verschillende meetprocessen (bijv. het inmeten van het primaire en secundaire NAP-netwerk) kennen andere meetprotocollen. Daarnaast zijn de opzet van de metingen en het netwerk-ontwerp ook van invloed op de kwaliteit van de metingen.

Primaire NAP netwerk en Nauwkeurigheidswaterpassingen (NWP)

De term nauwkeurigheidswaterpassing wordt gebruikt om een landelijke waterpassing aan te duiden, die de hoogte van een netwerk van primaire landelijke punten moet vastleggen t.o.v. het NAP-nulvlak. In de loop van de tijd zijn er 5 nauwkeurigheidswaterpassingen uitgevoerd.

Bron: presentatie B. Albers (RWS)

Omdat de 1e NWP als het minst betrouwbaar wordt beschouwd, worden schattingen van bijv. bodemdaling altijd gemaakt t.o.v. de 2e t/m 5e NWP. Wat betreft de meetnauwkeurigheid verschillen de 2e t/m de 5e NWP niet veel. Wel is het meetnetwerk in de loop van de tijd verdicht (punten bevinden zich dichter t.o.v. elkaar) en is de doorlooptijd van de uitvoering van een NWP verkort (2 jaar voor de 5e NWP t.o.v. 10 jaar voor de 2e NWP). In de 5e NWP is er daardoor minder sprake van bodemdaling tijdens de meting zelf, terwijl daar in eerdere NWP’s wel sprake van was.

Ondergrondse merken

Een ondergronds merk legt de hoogte van een punt in het primaire NAP netwerk vast t.o.v. het NAP-nulvlak. Deze ondergrondse merken zijn in het verleden aangebracht bij de uitvoering van een NWP. Liefst wordt een ondergronds merk geplaatst op de stabiele pleistocene zandlaag, onder de veronderstelling dat het punt dan zo min mogelijk zal verzakken.

Bij de 2e NWP zijn er voor het eerst ondergrondse merken in de stabiel veronderstelde zandlaag aangebracht (voornamelijk in het midden en oosten van NL):

Deze merken zijn ongeveer 1 m lang en bevinden zich 75 cm onder het maaiveld. Dit betekent dat de merken niet onafhankelijk van de zandlaag bewegen, maar ook niet diep gefundeerd zijn.
18 clusters van 4-5 merken op veldjes van 20x20 m, waarvan 4 merken van beton zijn en één van graniet. Eén van deze merken steekt uit boven het maaiveld om hem terug te kunnen vinden.
29 (enkele) betonnen zuilen, die wijder verspreid over Nederland zijn geplaatst.

Uit latere analyses is gebleken dat een aantal van deze ondergrondse merken zeer stabiel zijn geplaats en dat deze punten het NAP-nulvlak goed vast lijken te leggen. Echter, daarbij moet worden opgemerkt dat waterpassingen relatieve metingen zijn, en dus niet in staat zijn om de beweging van het gehele netwerk waar te nemen.

In de 3e NWP zijn betonnen funderingspalen (heipalen) geplaatst.

Deze palen zijn op een stabiele zandlaag en tot ongeveer 20 m diep geplaatst (afhankelijk van de ligging van de stabiel veronderstelde zandlaag).
De palen zijn voornamelijk in het westen van Nederland geplaatst en dichtbij peilschalen, als referentiepunt. Deze palen worden nu nulpalen genoemd, omdat ze een nulreferentiepunt vormen voor peilschaalmetingen.

In de laatste 20-25 jaar zijn een ander type ondergrondse merken geplaatst, namelijk dubbelwandige ijzeren buizen die vrij zijn van negatieve kleef. Deze buizen bevinden zich in putten. Van de meest recente ijzeren buizen zijn er nog plaatsingsrapporten beschikbaar en is exact bekend tot welke diepte deze zijn geplaatst.
Voor het plaatsen van deze palen is geotechnisch onderzoek uitgevoerd, namelijk sonderingen. De rapporten van sommige sonderingen bestaan nog en zouden een basis kunnen vormen voor bodemopbouw kaarten.

De locatie van ondergrondse merken t.o.v. peilhuisjes in Nederland verschilt. Ze kunnen geplaatst zijn in een peilhuis, erbuiten of in een put nabij.

Verschillende nulpalen bij de peilschaalhuisjes. (Bron: presentatie B. Albers, RWS)

Herziening NAP in 2005

Het NAP-nulniveau is nooit veranderd. Dat kan ook niet, want het is immers een denkbeeldig, afgesproken vlak. Wat wèl kan gebeuren, is dat de vastlegging er van middels fysieke peilmerken niet meer voldoet. Wanneer gesproken wordt van de ‘herziening van het NAP’ klopt dat dus strikt genomen niet. Het NAP-nulniveau is immers niet veranderd, alleen de hoogten die in de database van Rijkswaterstaat genoteerd staan, voor de punten die we gebruiken om dat nulniveau vast te leggen, kunnen op den duur niet meer kloppen.

Sinds de 2e NWP zijn de gemeten en genoteerde hoogtes van de ondergrondse merken ongeveer 75 jaar niet meer veranderd. Inmiddels weten we dat Nederland wel heeft bewogen in die tijd, maar de diverse nauwkeurigheidswaterpassingen gaven lange tijd geen aanleiding om de genoteerde hoogtes in de database te veranderen. Daarmee zijn dus ook de tienduizenden secundaire peilmerken, die relatief worden aangesloten op een primair merk behept met niet-verdisconteerde bodembewegingen sinds 1930. Daarmee is dus het analyseren van bodembeweging door naar de hoogtes van secundaire peilmerken te kijken niet fysisch zinvol. Men gebruikte eenvoudigweg hetzelfde ‘getal’ voor de hoogte van de primaire peilmerken en paste dat niet aan. Verderop zullen we zien dat datzelfde probleem ook voor het secundaire netwerk geldt.

Ook al heeft men besloten de genoteerde hoogten niet te veranderen sinds de 2e NWP, wel bleek uit de 3e en 4e NWP dat er onderlinge beweging plaatsvond tussen de ondergrondse merken en dat het referentiepunt bij het IJ niet stabiel was. Omdat het NAP-nulniveau nog steeds ten opzichte van dat referentiepunt werd vastgelegd was dat een probleem. Indien het peilmerk dat het nulniveau vastlegt fysiek zakt, dan is het gevolg dat alle andere primaire peilmerken lijken te stijgen. Met het uitvoeren van een ‘herziening’ wilde men dus het NAP-nulniveau beter verankeren en besloot men om nieuwe waardes geven aan de ondergrondse merken .

Fysisch bekeken (in de context van zeespiegelvariatie en bodembeweging), is de ‘herziening’ dus een operatie die niet eens in de 75 jaar sprongsgewijs zou moeten plaatsvinden, maar die continu zou moeten plaatsvinden. Het ultieme gevolg hiervan zou zijn dat elk primair en secundair peilmerk niet slechts een genoteerd hoogte krijgt ten opzichte van het NAP-nulniveau, maar dat deze hoogte tijdsafhankelijk wordt, en beschreven als een functie van de tijd. (Natuurlijk brengt dit andere civiel-technische en praktische bezwaren met zich mee, maar daarmee zouden de NAP peilmerken waardevol worden voor fysieke interpretatie).

Sinds de 2e NWP zijn de hoogtes van de primaire NAP peilmerken niet gewijzigd, ook al is dit op langere termijn niet houdbaar. Daarom hebben de ondergrondse merken in 2005 toch nieuwe waarden gekregen. Fysisch gezien is in het westen van Nederland is er zakking opgetreden, waardoor NAP-peilmerken meezakten, maar het NAP-nulvlak verandert daar niet door. De NAP-waarden van deze palen zijn dus (pas) in 2005 verandert in een lagere hoogte t.o.v. het NAP-nulniveau. (Bron: presentatie B. Albers, RWS)

Uitvoering van de herziening

Voor de herziening van de genoteerde hoogten zijn meer stabiel veronderstelde punten binnen het primaire NAP-netwerk gedefinieerd. Deze stabiele punten bevinden zich op de Utrechtse Heuvelrug en de Veluwe. Minder stabiele punten zijn vervolgens aangesloten op deze stabiele punten, waarbij nieuwe hoogtes van deze minder stabiele punten zijn berekend. Vervolgens zijn de hoogten van deze punten gebruikt om een nieuwe waarde voor het referentiepunt in Amsterdam te berekenen, om vervolgens een herberekening voor heel Amsterdam te kunnen uitvoeren.

Samenvattend: Er is dus geen sprake van een oud en een nieuw NAP. Het NAP nulvlak is een afgesproken systeem dat niet verandert. Bij de herziening van het NAP is het NAP-nulvlak dus niet aangepast, alleen sommige realisatiepunten van het nulvlak bleken te hebben bewogen t.o.v. punten die als meer stabiel verondersteld waren. Deze punten hebben dus een nieuwe NAP-hoogte gekregen.

Secundaire NAP netwerk

Het secundaire NAP netwerk en de daarbij behorende secundaire waterpassingen hebben een ander karakter dan de nauwkeurigheidswaterpassingen en betreffen meestal regionale verdichtingen. Per jaar worden er zo’n 3000 metingen aan secundaire waterpassingen gedaan. In gebieden met bodemdaling worden ze iedere 5 jaar uitgevoerd en in overige gebieden iedere 10 jaar. De secundaire merken zijn vooral te vinden in muren en palen en zijn vaak niet op de pleistocene zandlaag gefundeerd. Merk op dat ook hier, bij de secundaire merken, de genoteerde hoogtes (bepaald ten opzichte van een primair peilmerk) 10 jaar lang onveranderd kunnen blijven, ook al zakt of stijgt het fysieke punt. Ook dit aspect, volgend uit de Nederlandse wijze van bijhouding van het NAP-netwerk, leidt er toe dat het niet juist is om hoogtes van NAP peilmerken te gebruiken in de context van bodembeweging en zeespiegelvariatie.

Secundaire waterpassingen voor het NAP netwerk gepland voor de periode 2016-2018 (Bron: B. Albers, RWS)

De nauwkeurigheid van secundaire metingen is minder dan die van nauwkeurigheidsmetingen. Dit komt doordat de meetprotocollen anders zijn. De netwerken zijn daarentegen wel veel kleiner (4x4 km), waarbij langs de zijde op ongeveer iedere km een peilmerk zit.

Het bepalen van de hoogtes van secundaire merken wordt in 2 stappen uitgevoerd:

Vrij vereffening: De punten worden beschouwd als los netwerk en op basis daarvan wordt geprobeerd de fouten eruit te halen. Is deze berekening geaccepteerd, dan worden ze aangesloten op de ondergrondse merken. Daarbij worden de ondergrondse merken, die in de verdichting zijn meegemeten, aangehouden als referentiepunt. Alle secundaire meetpunten krijgen dan dus een hoogte t.o.v. de meegemeten primaire merken.
Bij die vereffening wordt er ook getoetst of de primaire ondergrondse merken bij elkaar passen. Dus als er één zakt t.o.v. de ander, dan wordt deze verworpen en kan het merk niet gebruikt worden in de aansluiting en wordt deze ook losgelaten.