Onderzoek & Ontwikkeling | AI voor waterwinning

Assimilatie en Osmose

Bij het beschrijven van een vinding is het belangrijk om compact samen te vatten wat de stand van de wetenschap is en wat de obstakels zijn geweest om verder te kunnen komen.

Al lange tijd bekend

Een zeer gewaardeerde agrariër, maakt het mij duidelijk dat gewassen niet tot in de hemel zullen groeien, als je steeds meer mest geeft. De implicatie was dat de mest bijdraagt aan de groei van het gewas binnen de grenzen van de maximale groei. En ik kon zien dat dat geldig is voor landbouw én natuurgebieden.

Door de groei van de gewassen te ¹bestuderen, kon prof. R. A. Feddes van de Landbouw Hogeschool Wageningen, de latere Wageningen Universiteit, door de hoogte van de grondwaterspiegel hmv, ten opzichte van het maaiveld, te bestuderen een onderscheid maken tussen het osmose verlies, het bemesting verlies en het assimilatie verlies door de groei van de planten te bestuderen, die de nutriënten (mest stoffen waarvan stikstof NO3 de belangrijkste is) door assimilatie opnemen. Deze verliezen staan ook bekend onder de naam nat schade, overbemesting en droogte schade.

Over het functioneren van de bodem

Water is een polaire stof die zich via adhesie hecht aan de korrelstructuur van de bodem. Het korreloppervlak is met gemak een factor 1000 tot 10.000 keer groter dan het oppervlak aan het maaiveld en het porie volume is een fractie (zeg 1/3) van een volume in de onverzadigde zone. Als er ieder jaar een grondwateraanvulling is door neerslag van 0.8m, dan stijgt de grondwaterspiegel daar al gauw met 2.4m door. Het vervelende van het dilettantisme is dat de veelgebruikte aanname dat alle processen bij goede benadering stationair zullen zijn, door versterking in de praktijk een afwijking geven die een factor 20 groot is voor het winveld Rodenmors bij het natuurgebied Stroothuizen.

De waterfilm die zich via adhesie hecht aan de korrelstructuur, heeft naarmate de afstand boven de grondwaterspiegel groter wordt, een exponentieel afnemende dikte die gekarakteriseerd wordt door de afstand h1/2.

Het enorm grote oppervlak dat de waterfilm gemeen heeft met bodemlucht stelt nitrificerende bodembacteriën in staat om mest te maken uit bodemlucht onder begeleiding van de zuurgraad, de pH. Door opname van mest door de wortels is de stikstof concentratie vlak bij een wortel net iets lager dan elders in de onverzadigde zone. Door deze gradiënt, wordt de mest zonder te morsen opgenomen. Door dit proces van natuurlijke nitrificatie kunnen bossen spontaan groeien. In de gematigde zone ontstaat een groeiseizoen dat wordt gekenmerkt doordat de zon hoog staat ergens in het midden van het seizoen. Als de zon laag staat op het eind van het groeiseizoen, is het aanbod van meststoffen door natuurlijke nitrificatie in een bos, groter dan de bomen in een bos voor hun stofwisseling nodig hebben. In een bos zal daarom, net als in een weiland, wat mest achterblijven. Deze mest is een 'lekkernij' voor denitrificerende bodembacteriën die hoog in de watervoerende laag zitten te wachten om de mest weer af te breken. Bij dat proces ontstaat, omdat alle stappen van het denitrificatie proces niet perfect verlopen, een zure bodemlucht die weer als zure regen op de bodem komt. Het is deze zure regen die het RIVM, met zeer gevoelige instrumenten meet en omschrijft als stikstof depositie.

Bodems met kleine korrels, hebben een waterfilm met een groter korreloppervlak dan bodems met een grovere korrel. Daardoor is een lössbodem vruchtbaarder dan een zandbodem.

Hoe de assimilatie curve ontstaat

We beginnen met de grondwaterspiegel, met daarop de waterfilm, en verlagen de grondwaterspiegel tot het punt l, waar het gewas g, op de bodem b, over juist voldoende bodemvocht kan beschikken voor z'n groei, door met z'n wortels het water op te nemen. Voor alle hogere waarden van de rondwaterspiegel, kan het gewas beschikken over voldoende grondwater, maar er bestaat een waarde h, waarbij de grondwaterspiegel zo hoog staat dat er geen bodemlucht meer bij de wortels kan komen. Het hele wortelpakket heeft, gerekend vanaf het maaiveld, een specifieke hoogte hw waarover het water op kan nemen. In het interval {ll, l} overlapt de exponentiele dikte van de waterfilm met de lijnvormige wortelstructuur. We kunnen de vorm van het lijnstuk {ll, l} berekenen door convolutie van de exponentiel afnemende dikte van de waterfilm, met het interval waarop het gewas via wortels nutriënten (mest) opneemt.

Hoe het ook zij, een berekening van de mogelijkheid om te groeien, gebaseerd op een rechte lijn is zeker adequaat. Ditzelfde argument geldt ook voor het interval {h, hh}.

De assimilatie curve met 4 heel specifieke punten {ll,l,h,hh}

Als het hele proces van de groei van gewassen stationair zou zijn, dan is het gebruik van een enkele assimilatie curve nog bruikbaar. Uit een oogpunt van wortellengte klopt dat aardig voor het referentie gewas gras. Maar afhankelijk van de plaats (x,y) van het water winveld op de aardbol, en de stand van de zon, ter plekke, als functie van de tijd (t), hebben we in meer of mindere mate rekening te houden met een variabele groeisnelheid van de gewas inclusief z'n wortels, samengevat in de ontwikkelingsfase. In de bovenstaande afbeelding heb ik het gemiddelde assimilatie verlies uitgezet als het verschil tussen de lijn van maximale groei en het lijnstuk {ll, l}, dat karakteristiek is voor de water winvelden in gebruik, en ook het extreem grote assimilatie verlies dat optreedt bij de standplaatsvergelijking.

Hieruit volgt dat hele kleine verschillen in de hoogte van de grondwaterspiegel, verantwoordelijk zijn voor zeer grote verschillen in het assimilatie verlies, met zeer grote stikstof concentraties in de bodem tot gevolg.

Een slechte koop

Bij de privatisering van de waterleiding maatschappijen, leek het runnen van een waterleidingbedrijf, heel eenvoudig, maar met een leveringsverplichting en instabiele water winvelden was die droom voorbij. Daar kwam bij dat het bedrijf dat de meeste overnames deed een boekhoudprogramma had gekocht dat de hele organisatie kantelt, daardoor komt de verantwoordelijkheid voor het wetenschappelijke onderzoek bij de man op de werkvloer te liggen, doordat er in de boekhouding geen ruimte is voor een aparte onderzoek afdeling.

In het hoofdstuk hydrologie horizontaal, laat ik zien dat de verlaging van de grondwaterspiegel, van het meest gebruikte type winveld, een puntwinning, kan worden beschreven als de oneigenlijke som van de transportverlaging en een winningsverlaging. Die winningsverlaging heeft slechts een waarde van 0.2m voor een hydrologie horizontaal.

Ik spreek hier over een oneigenlijke som, want er bestaan wél winvelden met alléén een winningsverlaging, maar niet met alléén een transport verlaging. Dit laat al iets zien van de aard van het dilettantisme in de hydrologie.

Achtergrondverlaging

Een nieuw element in de verdrogingsproblematiek besprak ir. H. L. M. Rolf (DGV/TNO) [1], namelijk het verschijnsel dat er veel algemener sprake is van daling van de stijghoogte dan op grond van lokale ingrepen zou mogen worden verwacht. Hij noemde dat de 'achtergrondverdroging'. Kenmerken ervan zijn, dat de verlaging geleidelijk is opgetreden, vaak al optrad in de jaren vijftig en zestig, gemiddeld zo'n 20 cm bedraagt; meestal gestabiliseerd is, maar soms, met name in het Drents Plateau, een doorgaande trend vertoont.

Het was me al snel duidelijk Rolf hier enerzijds een hydrologie horizontaal beschrijft en anderzijds een hydrologie hellend, die vanwege de aard van de grondwaterstroming in de nul-toestand, door grote onderlinge verschillen worden gekenmerkt.

Omdat niemand beschikte over een eenvoudige methode om de winningsverlaging te berekenen met een grondwaterformule, terwijl het voor velen al wel duidelijk was dat de achtergrondverdroging, een effect was dat optreedt als gevolg van de winning van grondwater, werd de naam achtergrondverlaging bedacht, om een effect te beschrijven dat ontstaat nadat een winveld vergund was, waar niemand een verklaring voor had, met als gevolg dat het waterleiding bedrijf natuurlijk óók geen compensatie vergunning af hoefde te dragen. De bestuursrechter stemde indertijd met dat financiële voordeel in. Omdat elk voordeel ook een nadeel heeft, bleek dat men vergeten was om het assimilatie verlies, dat een gevolg is van de gemiddeld optredende verlaging van 0.2m te bepalen.

Afgezien van het feit dat de agrariers daardoor op een systematische wijze benadeeld worden, moeten we goed begrijpen dat door de water winning een gemiddeld mest verlies van 204/604 = 34% naar de bodem ontstaat, dat de agrariers niet kunnen beïnvloeden.

Symposium 'Verdroging, grondwaterwinning de enige oorzaak?
C. Maas, Valkuilen in de tijdreeksanalyse: Het geval Terwisscha, Stromingen 18 (2012) nr 2.

De stikstof en fosfor balans gaat niet uit van oorzaak gevolg relaties niet in landbouw gebieden en ook niet in de natuurgebieden bij het vraagteken.

De mest gift gaat niet direct naar de gewasafvoer, maar altijd eerst naar de bodem, waar de gewassen in landbouw en natuurgebieden, als het assimilatie predicaat voldaan wordt, afgezien van een klein restje, alle mest opnemen. Daarbij doet het niet ter zake of het om een landbouw of een natuurgebied gaat, vooropgesteld dat het bemesting predicaat ook voldaan wordt.

Het assimilatie predicaat stelt eisen aan de hoogte van de grondwaterspiegel, terwijl het bemesting predicaat eisen stelt aan de actuele mestgift. Wie verantwoordelijk is voor wetenschappelijk onderzoek, moet een model correct uitwerken tot op het niveau van oorzaak -> gevolg relaties. Zo'n uitwerking heeft prof. R.A. Feddes van de Landbouw Hogeschool Wageningen gemaakt en ik za de details ervan nog nader bespreken.

In wetenschappelijk onderzoek wordt van alle onderzoekers verwacht dat zij bijdragen aan voortschrijdend inzicht. Dat kan in dit geval alléén als er naar het onderzoek van Feddes en z'n collega's wordt verwezen, en fouten daarin worden opgespoord en vervolgens worden besproken. Het mag niet zo zijn dat personen worden veroordeeld op basis van fouten in het wetenschappelijk onderzoek.

Om beter te kunnen begrijpen wat er aan de hand is, ga ik nu eerst dieper in op de praktijk en aansluitend op het werk van prof. R. Feddes en z'n collega's.

Mest bedreigt drinkwaterwinning

Meststoffen verontreinigen het grondwater. Zuivering wordt steeds duurder en complexer. De Nederlandse waterbedrijven zijn bezorgd en pleiten voor maatregelen.

Vanwege het gebruik van de achtergrondverlaging, wordt het assimilatie verlies in grote delen van het winveld veel te laag ingeschat, waardoor er veel mest verloren gaat naar de bodem. Daarom neemt Arjan Frentz, het voortouw om dit probleem, dat de waterleidingbedrijven zelf veroorzaken, te melden bij de politiek, die bereid wordt gevonden om een groot percentage van de melkveestapel af te slachten, maar als een te grote verlaging van de grondwaterspiegel het probleem is, kun je niet verwachten dat de grondwaterspiegel hogere waarden aan zal nemen door koeien af te slachten.

A. Frentz, E. Hakkenes, Trouw, Waterbedrijven slaan alarm: mest bedreigd drinkwater winning. Trouw, 24 Juni 2017.

Laat hmv de hoogte van de grondwaterspiegel zijn. Er gaat mest verloren naar de bodem:

Door het osmose verlies, als de grondwaterspiegel hmv tussen g.b.{h,hh} of hoger staat.
Door het bemesting verlies als gevolg van overbemesting,
Door het assimilatie verlies, als de grondwaterspiegel hmv lager dan g.b{ll,l} staat.

Het is bij de studie van het klimaat, van groot belang dat deze 3 oorzaken van elkaar gescheiden worden. Omdat hmv een toestandsvariabele is die een functie is van de plaats (x,y) en de tijd (t) en we geïnteresseerd zijn in hoogkwalitatieve winvelden die als eigenschap hebben dat er geen meststoffen onnodig in de biotoop komen, moet het assimilatie predicaat voldaan worden, voor een gegeven gewas g, op een bodem b. Als dat predicaat voldaan wordt voor alle (x,y) en voor alle (tk), zal een hoogkwalitatief water winveld te ontstaan, waarin geen meststoffen naar de bodem verloren gaan indien de agrariërs het overbemesting predicaat

overbemesting (mest_gift) = 0,

voldoen.

Assimilatie predicaat

Het assimilatie predicaat, nodig voor de realisatie van een hoogkwalitatief water winveld wordt voldaan voor alle (x,y,t) in het winveld A, als:

g.b.hmv(l) < h(x,y,tk) + mv(x,y) <= g.b.hmv(h) (1)

voldaan wordt.

De hoogte h, van de grondwaterspiegel moet zich volgens (1) voor alle (x,y) en (tk) bewegen in het interval g.b,hmv{l,h}.

In de mestbalans ontbreekt een opsplitsing naar de oorzaken, zoals het assimilatie verlies, het bemesting verlies, het osmose verlies, en de natuurlijke nitrificatie

De daartoe aangewezen Nederlandse overheidsinstantie, het RIVM, volstaat echter met het meten van de stikstof concentratie, en de WUR en het PBL splitsen het mest verlies naar de bodem niet uit naar het assimilatie verlies en het bemesting verlies, of het osmose verlies en het bemesting verlies. Daar komt bij dat de Wageningen Universiteit helemaal niets doet met het onderzoek van prof. R. Feddes, maar gebruik maakt van de diensten van bevriende natuurorganisaties. Daardoor zijn de Wageningen Universiteit, het PBL en het RIVM niet meer in staat om aan te geven welke stappen genomen moeten worden om een stikstof concentratie van 50mg/l in de bodem te realiseren, of een stikstof concentratie van 100mg/l in open water.

spreken ook uitsluitend over het mestverlies naar de bodem, dus zonder een onderscheid te maken naar het ontstaan van de mest verliezen.

De KRW-norm

De Kaderrichtlijn Water (KRW) schrijft voor dat de stikstof concentratie < 50mg/l in de bodem is aan het eind van het teeltseizoen.

wel is voorgeschreven wordt in de KRW wetgeving. Daardoor wordt een grote fout gemaakt, die ervoor zorgt dat er geen realistische werkwijze meer bestaat om de doelstelling van een stikstof concentratie < 50mg/l in de bodem te kunnen realiseren. De reden daarvoor is dat de drinkwatersector zich van geen kwaad bewust is, waardoor het mest verlies in z'n geheel (zonder deugdelijke motivering) wordt toegeschreven aan de agrariërs, terwijl de drinkwatersector juist de assimilatie verliezen veroorzaakt.

FL Naus, D van Gils, TJ Brussée
Toestand en trend van de ondiepe en middeldiepe grondwaterkwaliteit in Nederland zoals gemeten in het Landelijk Meetnet Grondwaterkwaliteit

Elk gewas g. heeft een mest_behoefte die ik normeer op 100% en realiseert een mest_opname ≤ 100% als functie van de hoogte van de grondwaterspiegel ten opzichte van het maaiveld hmv.

Bij de assimilatie curve wordt onderscheid gemaakt tussen een 3-tal intervallen op basis van 4 waarden van de hoogte, {ll, l, h, hh}. Daarbij wordt bij de hoogte rekening gehouden met de exponentiele dikte van de waterfilm die zich hecht aan de bodem.

Voor de berekening van de effecten op de groei die ontstaan als gevolg van de verandering van de grondwaterspiegel, werd door de agrohydrologen van de Landbouw Hogeschool te Wageningen, het teeltseizoen opgedeeld in 12 intervallen van 10 dagen. Daarbij wordt per gewas g, en per bodem b, rekening gehouden met de gemiddelde hoeveelheid ingestraalde energie van de zon en de ontwikkeling van de lengte van de wortels. Op die manier kan de maximale groei bepaald worden en ook geijkt worden aan een standplaatsvergelijking.

In de praktijk zijn er erg veel bodems en ook erg veel gewassen mogelijk. Daarom wordt vaak met gras gewerkt als referentie gewas, omdat in dat geval ook theoretische inzichten over de gewasverdamping meegenomen kunnen worden. Dit soort zaken zijn, belangrijk maar ik ga daar hier niet verder op in omdat ik wil laten zien hoe de processen samenhangen en de natuur en het klimaat beïnvloeden. Dit is belangrijk, omdat vele klimaatmodellen uitgaan van het idee dat je de invloed op het klimaat kunt berekenen door een gewogen som van de CO2 uitstoot te bepalen, terwijl ik juist probeer om de oorzaak -> gevolg relaties in beeld te brengen.

Dit verschil wordt pijnlijk duidelijk als de Wageningen Universiteit probeert om mee te zeilen op klimaat argumenten en probeert om de vorming van methaangas in polders te minimaliseren, daarbij wordt de uitstoot van methaan in vergelijking met CO2 met een factor 80 gewogen.

Door de grondwaterspiegel hmv te verhogen, door de polderbemaling aan te passen, wordt het osmose verlies zo groot dat de KRW-norm die stelt dat de stikstofconcentratie < 50mg/l gerealiseerd zal worden, en < 100mg/l in open water überhaupt niet meer realiseerbaar is.

Sterk niet-lineair

Omdat deze processen sterk niet lineair zijn, maar wel van groot belang zijn voor het ontwerpen van hoogkwalitatieve winvelden, willen we graag teruggrijpen op wiskundige principes die krachtig, én eenvoudig zijn. Als we proberen om de maximale groei te realiseren, dan is het goed dat we weten dat de groei altijd positief is. Daardoor weten we dat de maximale groei gerealiseerd wordt als de groei in elk interval van 10 dagen maximaal is. Als de mestgift en de mestbehoefte positieve waarden zijn dan moet de voorwaarde mestgift < mestbehoefte, voor alle (x,y) en (t) in het winveld voldaan worden om een zo klein mogelijk bemesting verlies te realiseren. Op vergelijkbare wijze vinden we voor een klasse gewas g. en een bodem b.

Assimilatie verlies

droogte schade

α(hmv)=gemiste_groei (hmv, ll, l) in %.

als gevolg van verandering van de grondwaterspiegel hmv.

Bemesting verlies

overbemesting

β (mest_gift) = if (mest_behoefte < mest_gift)

then (metst_gift - mest_behoefte)

else 0.

De mest_behoefte van het gewas g. op bodem b. wordt iets kleiner bij slecht weer. Daardoor kan bij een mest_gift van 100% volgens deze definitie een (klein) bemestingsverlies ontstaan.

Osmose verlies

nat schade

γ(hmv)=gemiste_groei (hmv, h, hh) in %.