De Stippelberg

Bij onderzoek naar verdroging [1] in Limburg, uit 1998, nemen de hydrologen M.H. Zwamborn, C. Maas en P.K. Baggelaar, allen werkzaam in opdracht van de VEWIN, al in 1998 relaxatie oscillaties waar, en ook een doorgaande trend in de watervoerende laag van een hydrologie hellend.
Het gaat hier om de winning bij Bakel (Helmond) als drain, met de Stippelberg als winveld en Vredepeel als source. Hun conclusie was dat de Box-Jenkins trendanalyse, die in de hydrologie óók bekendstaat onder de naam tijdreeksanalyse, niet altijd toegepast mag worden. Maar die conclusie geldt óók voor de toepassing van grondwaterformules, en grondwater simulatoren, en het effect daarvan is dat alle gereedschappen van de hydroloog onbruikbaar zijn.

Dr. C. Maas en dr. J.R. von Asmuth staan op het punt om een belangrijke ontdekking [2] te doen, als ze in 2002, vier jaar na de eerste publicatie, schrijven:

Dat de drinkwaterwinning één van de oorzaken is kwam als een verrassing, omdat er een actief beleid gevoerd wordt om deze onttrekkingen terug te dringen.

1. M.H. Zwamborn, C. Maas, P.K. Baggelaar, Box-Jenkins trendanalyse niet altijd toepasbaar, H2O, 1, 1998
2. C. Maas, J.R. von Asmuth, Tijdreeksanalyse grondwaterstanden 1975 – 2002, Effectiviteit van het standstill beleid van de Provincie Limburg. KWR 03.092

Het terugdringen van het watergebruik was echter niet nodig. Het was M.H. Zwamborn die in het gemeten grondwaterstandsverloop h(x,y)(t) sterke oneven harmonische componenten ontdekte, dit is strijdig met de opmerking in de Wikipedia dat ingewikkelde oplossingen kunnen worden geconstrueerd door eenvoudige oplossingen op te tellen, en tevens een bevestiging dat de Laplace vergelijking niet zomaar toegepast mag worden.

Dat gebeurt echter wel, in de twee publicaties in het kader, van de nieuwe wetgeving, toen het nog niet duidelijk was dat een dunne watervoerede laag zich gedraagt als een halfgeleider die signalen kan versterken.

1. J.J. de Gruijter, J.B.F. van der Horst, G.B.M. Heuvelink, M. Knotters, T. Hoogland, Grondwater opnieuw op de kaart; Een methodiek voor de actualisering van grondwaterstandsinformatie en perceelsclassificatie naar uitspoelingsgevoeligheid voor nitraat.
2. T. Hoogland, M. Knotters, M. Pleijter, D.J.J. Walvoort, Actualisatie van de grondwatertrappenkaart van holoceen Nederland : resultaten van het veldonderzoek.

De wetgever heeft deze publicaties van agro-hydrologen van de Wageningen Universiteit, als wettelijk uitgangspunt gekozen voor het vaststellen van de af te dragen compensatie vergoeding en de Advies Commissie Schade Grondwater (ACSG) ondergebracht bij de zelfbenoemde provinciale BIJ12 organisatie, die aanvankelijk werd ingesteld om de Wageningen Universiteit en het RIVM te helpen bij het vaststellen van de stikstofdepositie met behulp van de AERIUS software van het RIVM.

De centrale vraag hoort telkens te zijn hoe kunnen we de natuur herstellen. Dat doen we door ervoor te zorgen dat de mestverliezen naar de bodem minimaal zijn.

Immers uit conclusie 1, volgt dat we de natuur niet kunnen herstellen door de eisen die de stikstofdepositie stelt. Daarvoor is de hoeveelheid stikstof die door depositie neerdaalt véél te klein en de Kritieke Depositie Waarde (KDW) niet bruikbaar als maat. Daar staat tegenover dat het effect van relaxatie oscillaties door de afvoer van kostbaar water voor het volgende teeltseizoen, juist wél erg groot is. Daarom is het zaak om eerst de oorzaak van de relaxatie oscillaties op te sporen, voordat we verdere stappen zetten. De publicaties 1 en 2 in het kader, zijn daarbij niet bruikbaar omdat zij uitgaan van de stationaire stroming van het grondwater, terwijl relaxatie oscillaties duidelijk een gevolg zijn van de niet-stationaire oplossing.

Vervolg onderzoek op de Stippelberg

Bij vervolgonderzoek van de waterleiding bedrijven komt de drinkwaterwinning als één van de in 2002 vastgestelde oorzaken, niet meer voor. Daardoor kon Dr. A. van Loon, de blokgolf bij de drain, en de driehoekgolf die bij de source, buiten beschouwing laten. De hypothese dat klimaat verandering de oorzaak is van het afwijkende gedrag met zeer grote mestverliezen tot gevolg, lijkt daardoor, gerechtvaardigd.

Dr. A. van Loon schrijft in dit verband:

Op de hoge zandgronden is vaak sprake van een faseverschil tussen watervraag en -aanbod. Tijdens de winterperiode ontstaat onder invloed van neerslag en hoge rivierafvoer een wateroverschot, terwijl tijdens de zomer een tekort aan water ontstaat als gevolg van hoge verdamping.

Maar of hypotheses waar zijn of vals moet altijd bewezen worden, en zo'n bewijs wordt niet gegeven.

1. A. van Loon, Verdroging van de Stippelberg
   

Door de winning uit meerdere lagen en diverse breuklijnen in de ondergrond die karakteristiek zijn voor de gecompliceerde hydrologie van de Peel is er sprake van diverse schalen waarmee de stroming van het grondwater te maken krijgt. Het is niet ongebruikelijk dat er in zo'n geval, als gevolg van het dilettantisme, grote fouten kunnen ontstaan in de hydrologische berekeningen, dus ook in verkennende berekeningen.

Zéér essentieel

Er is maar een héél klein, maar zéér essentieel, detail dat ontbreekt aan de beschrijving van Dr. A. van Loon. Omdat de grondwaterspiegel in het winveld A van de Stippelberg, hoger staat dan de grondwaterspiegel bij de drain, waar de rivierafvoer ontstaat, ontstaat er bij de drain, een relaxatie oscillatie, als gevolg van een labiele meekoppeling, terwijl er bij een grootschalige hydrologie horizontaal, juist sprake is van een stabiele tegenkoppeling bij de source.

Bij vergunningverlening behorend bij het winveld de stippelberg, gelegen aan de Zuid-Willemsvaart, met areaal A en winning uit twee watervoerende lagen, werd vastgesteld dat Nwinbaar A = 9Mm³/jaar zou zijn. Dit zou impliceren dat N(winbaar + assimilatie + kwel) A = 27Mm3/jaar is. Hier klopt iets niet omdat de totale hoeveelheid neerslag op de Stippelberg, 14Mm³/jaar zou zijn.

Bij een hydrologie horizontaal wordt de hoogte van de grondwaterspiegel gestabiliseerd doordat een teveel aan kwel water, voorafgaand aan, het teeltseizoen, door de stabiele tegenkoppeling, uit kan treden, totdat hmv de waarde h aanneemt. Tijdens het teeltseizoen neemt de hoogte van de grondwaterspiegel geleidelijk af door de gespreid optredende assimilatie winning.

Bij de hydrologie hellend fungeert de drain als een scharnier met een bovenrandvoorwaarde. Het gevolg is dat het kwelwater, al direct na het teeltseizoen al uit kan treden. Deze niet stabiele meekoppeling., heeft als gevolg dat er een relaxatie oscillatie ontstaat, waardoor de realisatie van het assimilatie predicaat in het volgende  teeltseizoen, niet zeker meer is. Dit is in het verleden vaker voorgekomen in de jaren 1975 en 1976, en het zal vaker voorkomen als de realisatie voorwaarden niet passen bij de labiele toestanden die het winveld kan aannemen.

Labiel

Er ontstaat bij een meekoppeling wél een evenwicht, doordat er aanpassingen ontstaan in de lengte en de timing van de intervallen waarin het water hoog staat, met veel kwel in de winter, en laag staat, waarbij in het teeltseizoen, een verdroging ontstaat die groter is dan de gemiddelde waarde van 204/604 := 34% en op kan lopen tot 95% als in de standplaats vergelijking.

De theorie van de groep van prof. R.A. Feddes, die ik gebruik om het assimilatie predicaat te formuleren is essentieel om achteraf de mest verliezen naar de bodem op te kunnen splitsen naar het bemesting verlies (overbemesting) en de som van het osmose verlies en het assimilatie verlies.

Bij het vraagteken hoort ook nog een uitwerking te staan voor de mestgift in natuurgebieden, als beschreven in het hoofdstuk begrippen. Het is belangrijk dat we de mestgift in natuurgebieden niet vergeten, omdat deze voor een bos en ook bijvoorbeeld voor heide, ongeveer even groot is als de mestgift voor grasland, zoals blijkt uit de informatie over de stofwisseling, gegeven in de publieksvoorlichting in Duitsland.

Het RIVM meet in de lucht

De stikstofdepositie wordt door het RIVM in de lucht gemeten, met een experimentele meetopstelling in Vredepeel, terwijl er bij hetzelfde winveld, kostbaar grondwater dat in het volgende teeltseizoen nodig is om het assimilatie predicaat te kunnen voldoen, gelijktijdig bij de drain wordt afgevoerd als gevolg van meekoppeling.

Wie in de lucht meet, terwijl grote hoeveelheden kostbaar grondwater afvloeit door een relaxatie oscillatie, is niet in staat om een bijdrage te leveren aan het herstel van de natuur. Hard en georganiseerd werken ligt ten grondslag aan de oplossing van een buitengewoon probleem. Talent is niet genoeg.

Een hoogwaardig winveld lost alle problemen op. De waterleiding bedrijven en de Wageningen Universiteit, introduceren of promoten echter wetgeving die ervoor zorgt dat we nooit afscheid kunnen nemen van de problemen van het dilettantisme in de hydrologie. In Conclusie 1 laat ik zien dat dit ook belangrijk is voor het halen van de klimaat doelen.

En in het (grond)water

Bij het meten van de stikstofconcentratie voor toetsing aan de KRW-doelen neemt het RIVM een watermonster met de onderstaande meetopstelling, dat het opstuurt naar een laboratorium, om het resultaat vervolgens via het gebiedsdossier van het winveld te publiceren.

Deze meetopstelling is bruikbaar om op basis van de gemeten stof de mogelijke bron ervan op te sporen. Dat is niet mogelijk voor meststoffen omdat die in landbouw en natuurgebieden niet van elkaar te onderscheiden zijn. In zo'n geval moeten we in ieder perceel tussen de wortels van het gewas meten. Een zeer tijdrovende en vooral ook kostbare opgave.

Monitoring

Een monitoring programma wordt als regel ingezet om ongewenste effecten op te sporen in het volledige overzicht. In die hoedanigheid kon het RIVM allerlei verzoeken doen, om de oorzaak, óók bij de Stippelberg, of bij de vervuilingen met bodembacteriën zoals E-coli, of van de dunne maar slijtvaste huid van regenwormen (PFAS), op te kunnen sporen.  Dat is niet gebeurd, met als gevolg dat de rechterlijke macht veel werk heeft moeten verzetten in de stikstofcrisis, die nooit een crisis zou zijn geweest als het wetenschappelijk onderzoek op orde was geweest. In het kader van de wetenschappelijke integriteit [1] was het voldoende geweest als er een voorbehoud was gemaakt betreffende de juistheid van deelresultaten. Ik kom daar later nog op terug.

1. Erasmus Universiteit, Beleid en reglementen, Integriteit, Wetenschappelijke integriteit.

Doorgaande trend

Het was Ir. H.L.M. Rolf, die als eerste had ontdekt dat er veelvuldig een doorgaande trend [1] ontstaat als gevolg van de winning van grondwater. Eén van de voorbeelden was de verdroging van het Fochtelooerveen gelegen op de Hondsrug, terwijl er in de verre omtrek nauwelijks grondwateronttrekkingen te vinden waren.

Omdat een AI systeem ook ingewikkelde problemen aankan, volsta ik bij voorkeur met eenvoudige handberekeningen die illustratief zijn voor de oorzaak gevolg relaties waarin we geïnteresseerd zijn. In de afbeelding is de grondwaterspiegel langs de x-as zichtbaar, waarlangs het grondwater stroomt in het geval dat alle stroomlijnen parallel lopen, zoals dat ook het geval is bij Hoogeveen en de buurtschap Lage Venen.

In dit geval gebruik ik de maatvoering van de Slenk van Reutum. Dit laatst genoemde onderwerp is vooral óók interessant omdat maar liefst 3 pogingen om het assimilatie predicaat te voldoen, faalden:

1. Een klassieke puntwinning bij de drain
2. Een afwisellende winning bij de drain en de source
   Dit ontwerp wordt besproken op het Symposium verdroging [2].
3. Een lijnwinning met 4 pompputten, geplaatst op de positie van 4 kleine winveldjes met areaal a en debiet q.
4. Een gespreid winveld met een schaal ρ ≈ 3D met 24 kleine winveldjes geplaatst op een driehoekrooster. Ik gebruik dit gespreide water winveld vooralsnog uit theoretische overwegingen.

Zelfs het 3e winveld heeft nooit aan de verwachtingen voldaan, doordat het effect van de relaxatie oscillatie 4x, maar nu in tegenstelling tot de puntwinning, synchroon optreedt: De schade aan gewassen de waterleiding installatie en het klimaat, wordt in dit geval waarin de meekoppeling niet te verwaarlozen is, zelfs maximaal.

Door de meekoppeling is langdurig veel mest naar de bodem verloren gegaan, terwijl de getroffen agrariërs recht hadden op de in de wet vastgelegde compensatie vergoeding.

1. A.R. van Amstel, A.C. Garritsen, H.L.M. Rolf, Verdroging van Natuur en Landschap in Nederland, Deelrapport Hydrologie, februari 1989.
2. Symposium Verdroging: Grondwaterwinning de enige oorzaak? H2O (23), 1990, nr 13 

Het was niet zo dat niemand een schade vergoeding had gehad, maar de vergoeding kon de geleden schade niet dekken. De standplaats vergelijking, laat duidelijk zien dat de schade niet wordt veroorzaakt door overbemesting. Naar aanleiding daarvan is er namens de gedupeerde betrokkenen een rechtszaak gestart met als doel om alsnog te bereiken dat de wet nageleefd wordt.

In plaats van het betalen van een schade vergoeding en het aanschaffen en in bedrijf nemen van apparatuur om kristalhelder productie water te verkrijgen uit grondwater, is het beter om winvelden te maken die het assimilatie predicaat vanaf het allereerste moment voldoen en derhalve ook kristalhelder grondwater leveren. Op het eerste oog is dat een moeilijke opgave, omdat het interval {l, h} waarden aan moet nemen van {1.4, 0.4}m -mv. Dat is nauwelijks groter is dan de som van de assimilatie verlaging + de winningsverlaging.  Ik sluit echter niet uit dat het interval {l, h} nog iets groter is bij het gebruik van hoogwaardige winvelden, die het assimilatie predicaat voldoen.

Een hoogwaardig winveld

Het waterleidingbedrijf van de provincie Brabant, wordt geconfronteerd met hoge compensatie vergoedingen uit te keren in de provincie Limburg en tot overmaat van ramp óók met grote assimilatie verliezen, waardoor mest verloren gaat naar de bodem in de provincie Brabant.

Dit zijn delicate kwesties, zeker als KWR neutraal wil zijn in een rapportage over zaken die in twee provincies met verschillende waterleiding bedrijven. Doordat er wordt volstaan met de opmerking dat er een actief beleid gevoerd wordt om deze onttrekkingen terug te dringen, was het mogelijk om de zaak te laten zoals het was.

In plaats daarvan kun je ook een winveld maken dat géén schade veroorzaakt. De eerste stap daarbij is het bepalen van de realisatie conditie, die zeker stelt dat het doel haalbaar is.

Realisatie condities

De realisatie condities moeten a priori voldaan worden om er voor te zorgen dat de het winveld bij een gegeven statistiek van de meteorologie, (neerslag, zonuren, lengte graad op de aarde) etc. de  noodzakelijke en voldoende voorwaarden a posteriori ook echt kan realiseren.

Vervolgens zorgen we ervoor dat voor de gegeven realisatie condities, het assimilatie predicaat overal en altijd voldaan wordt.

Noodzakelijk en voldoende

Om dit probleem op te kunnen lossen moeten we het assimilatie predicaat kunnen voldoen. We willen echter meer. Deze voorwaarden moeten voor alle (x,y) en voor alle (t), voldaan worden. Dat is geen triviale opgave, die het AI systeem voor ons op moet lossen, óók als de grondwaterspiegel hmv, in een winveld, zoals het winveld de stippelberg, al flink verlaagd is door een doorgaande trend.

We hebben gezien dat de meekoppeling die ontstaat bij winning van water bij een hydrologie hellend, ervoor zorgt dat volumes kwel water, die volgens de ontwerpcriteria maximaal even groot zijn als het volume winbaar water, ongemerkt door relaxatie oscillaties, via greppels, sloten, beken en rivieren afgevoerd kunnen worden. Daarom is het van groot belang dat de meekoppeling wordt omgezet in een tegenkoppeling door toepassing van een AI systeem. en dat het effect van een doorgaande trend hersteld wordt.

1. C. Maas, J.R. von Asmuth, Tijdreeksanalyse grondwaterstanden 1975 – 2002, Effectiviteit van het standstill beleid van de Provincie Limburg. KWR 03.092
   

Infiltreren

In een vervolgtraject van KWR wordt de mogelijkheid onderzocht om water van elders te zuiveren en te infiltreren. Maar zolang de meekoppeling nog optreed kan infiltratie niet het verwachte effect hebben. 

Test op overbemesting

Het hoogwaardige winveld stelt de drinkwater bedrijven in staat om winvelden te realiseren die géén schade veroorzaken, door voor alle (x,y) en voor alle (t) zeker te stellen dat het assimilatie predicaat voldaan wordt.

Gelijktijdig moeten de agrariërs het bemesting predicaat voldoen, om zeker te stellen dat er een optimale toediening van mest is waardoor het klimaat doel en het natuurdoel beide realiseerbaar zijn.

Onmogelijk

Juist omdat de watervoerende laag zich gedraagt als een halfgeleider met versterking van signalen, is een rendabele en probleemloze toekomst van de drinkwaterwinning, het natuurdoel, het beheersen van extreem weer en de realisatie van de klimaatdoelstelling niet alléén in groot gevaar, maar gewoon onmogelijk met de stand der wetenschap in 2025.

Waterbedrijven slaan alarm

Het was terecht dat Arjen Frentz, een alarm afgaf betreffende de staat van het grondwater, daarom moeten we blij zijn met zijn publicatie [1] in Trouw, waarin A. Frentz en E. Hakkenes schrijven over de grote problemen waar de waterleiding bedrijven mee worstelen.

Bestuurders van waterleidingbedrijven hoeven niet alles zelf te weten. Maar ze liepen, als gevolg van de compensatie vergoedingen, tegen grenzen aan die de rentabiliteit van de waterwinning zeer negatief beïnvloedden. Al eerder hebben de waterleidingbedrijven een aanzienlijk percentage van de melkveestapel af laten slachten, zonder dat hun probleem daardoor opgelost werd. De provincies hebben het monitoring programma geïntensiveerd, om de vreemde stoffen in het grondwater in kaart te brengen. Dat heeft geleid tot twee soorten metingen. De groep  van agro-hydrologen onder leiding van prof. R.A. Feddes, heeft samen met internationale wetenschappers van de FAO de techniek ontwikkeld, waaruit het assimilatie predicaat voortkomt.

Maar de provincies hebben ook een provinciaal meetnet ontwikkeld, waarin de stikstof concentratie werd gemeten en geen rekening werd gehouden met het voldoen van het assimilatie predicaat. Hoge gemeten stikstof concentraties, werden in landbouwgebieden, toegerekend aan de agrariërs, die wisten op basis van standplaats vergelijkingen, dat die werkwijze voorbij gaat aan de assimilatie van meststoffen door de gewassen. Daarom moet overbemesting altijd bepaald worden uit een positief verschil tussen de actuele mestgift en de mestbehoefte van het gewas op het eind van het teeltseizoen.

Door het dilettantisme in het vakgebied van de hydrologie zijn het de onnodige stationaire mechanismen, zoals de transportverlaging, de doorgaande trend, en de dynamische relaxatie oscillaties, die samen zorgen voor grote schade percentages uiteenlopend van 34% gemiddeld tot 95% in een bijzonder geval.

Dat probleem heb ik intussen opgelost, met als gevolg dat er voor waterleiding bedrijven weer een profijtelijke toekomst is. Het uitgeven van vergunningen van hoogwaardige winvelden kan gereduceerd worden tot een formaliteit, omdat zulke winvelden in bedrijf een heel kleine verlaging realiseren, en de a priori  ontwerp eisen a posteriori realiseren.

Door het doorbreken van het dilettantisme, zijn water winvelden een consumptie product geworden, vergelijkbaar met auto's, die je in een showroom, uitzoek op basis van hun eigenschappen.

Nagenoeg de gehele nieuwe wetgeving staat haaks, op het in gebruik nemen van hoogwaardige winvelden.

Dat komt omdat de wet aansluit op een stationaire analyse van het probleem terwijl een dynamische analyse in real-time nodig is.

In het voorgaande heb ik laten zien dat er heel veel valkuilen zijn, waardoor het doel, het herstel van de natuur, en de gelijktijdige realisatie van een winveld dat goedkoop grote hoeveelheden kristalhelder water kan winnen en zuiveren, niet realiseerbaar zijn met de huidige, stand der techniek. U mag aannemen dat mijn analyse foutloos is, en dat ik heb nagedacht over elk detail, dus ook over technieken om putverstopping tegen te gaan, om maar eens een onderwerp te noemen.

In aanvulling daarop zal ik graag met de waterleiding bedrijven in contact komen om van gedachten te wisselen over operationele details en wensen.

Eén van de hoogtepunten zal zijn een module waarmee een groot grondwatersysteem zoals de karakteristieke waterbel van de Veluwe, als één hoogwaardig winveld kan functioneren, opgebouwd met meerdere hoogwaardige winvelden. Dit zal als effect hebben dat de huidige verdroging van de Veluwe, bij een geschikt gekozen a priori ontwerp, in de komende jaren teruggedraaid kan worden, waardoor de natuur zich als nooit tevoren kan herstellen.

1. A. Frentz, E. Hakkenes, Trouw, Waterbedrijven slaan alarm: mest bedreigd drinkwater winning. Trouw, 24 Juni 2017.
2. Klemeš, V., 1986. Dilettantism in hydrology. Water Resources Research, vol. 22, nr. 9, p. 177-188
3. Erasmus Universiteit, Beleid en reglementen, Integriteit, Wetenschappelijke integriteit.
4. Youtube: Vewin Talkshow - 'Een duik in de Drinkwateragenda