Inleiding

Een top-down beschrijving van een wetenschappelijk probleem is zeer geschikt om, met goed omschreven doelen resultaten van wetenschappelijke onderzoek met gemak en plezier te presenteren, óók als meerdere wetenschappelijke vakgebieden samenkomen in één probleem: Het herstellen van de natuur. Daartoe worden de namen in de beschrijving zo gekozen dat we niet stellen dat de natuur hersteld wordt, door bomen te planten, om even later de bomen weer te kappen, omdat heide toch nog beter is. Dat wisten de ecologen Koos van Zomeren en William Reppel ook al in 1980. Je hebt een algemeen concept nodig.

Daarom gebruik ik namen zoals de biotoop van het leven met bereikbaar water, en ook de groei van planten en differentieer daarbij naar de functie binnen het proces. 

Soms gaat het helemaal mis met de natuur. Zo werd het natuurgebied Stroothuizen dat in de jaren 60 van de vorige eeuw hersteld werd, opnieuw hersteld. Dat was nodig door de winning van water in de omgeving. Vanaf het begin was men indertijd alert dat dit project niet mis mocht gaan. Niemand had indertijd gedacht dat de winning van water zo'n invloed kan hebben op de natuur, maar als er onvoldoende bereikbaar water is, kan de mest die door natuurlijke nitrificatie wordt gemaakt, niet opgenomen worden, waardoor er een vermesting (eutrofiering) van de natuur ontstaat. Je zou denken dat de natuur dan enorm zal groeien en bloeien, maar uit de standplaats vergelijking blijkt dat planten in natuur en landbouwgebieden, juist niet kunnen groeien bij gebrek aan bereikbaar water. Indertijd dacht men dat er een vervuiler in de omgeving moest zijn, maar de verrassing was dat het waterleidingbedrijf zelf het probleem veroorzaakt doordat hun water winvelden het assimilatie predicaat niet voldoen.

Daarbij gebruik ik het proces van assimilatie als een functie van de grondwaterspiegel hmv, als beschreven bij de groei van planten, ten opzichte van het maaiveld mv, om voor elke bodem b, en voor elk gewas g, het mest verlies naar de bodem te kunnen bepalen als een osmose verlies voor hmv > h, of een assimilatie verlies voor hmv < l. Bovendien definieer ik het assimilatie predicaat als de voorwaarde waarvoor geldt dat er geen mest verlies naar de bodem is. Als het assimilatie predicaat voldaan wordt voor alle (x,y) in een winveld voor water en óók voor alle (t), dan wordt zeker gesteld dat er geen mest verloren gaat naar de bodem. Daardoor kan de plant van het gewas maximaal groeien. Daardoor is tevens de omzetting van koolzuurgas CO2 naar zuurstof O2 maximaal. Bovendien zorgt de realisatie van het assimilatie predicaat bij alle winvelden van water ervoor dat een belangrijke oorzaak voor het ontstaan van extreem weer wordt weggenomen. Dat wordt later in meer detail beschreven nadat het ontstaan van relaxatie oscillaties is besproken.

Zo maken we het voor het wetenschappelijke onderwijs en onderzoek mogelijk alle oorzaak → gevolg relaties in de natuur en in de landbouw op een overzichtelijke manier in het volledige overzicht onder te brengen voor personen afkomstig uit een groot aantal vakgebieden.

Daarbij kies ik m'n woorden, als wetenschapper en ook als verslaglegger, zo dat journalisten, rechters, en burgers de processen in de natuur kunnen begrijpen en ook zelfstandig kunnen beoordelen.

Er zijn ook praktische technieken, zoals standplaats vergelijkingen in een demonstratie veld. Deze worden door verkopers van zaaigoed, gebruikt om de groei van gewassen onderling te beoordelen onder diverse omstandigheden.

Ik gebruik een standplaats vergelijking van maisvelden waarbij je met het blote oog kunt zien dat bij het niet voldoen van het assimilatie predicaat soms 95% van de mestbehoefte van de mais, verloren kan gaan als gevolg van de verlaging van de grondwaterspiegel hmv, ten opzichte van het maaiveld, bij de winning van water.

Daarbij spelen niet lineaire en instabiele processen, die samen relaxatie oscillaties en extreem weer, mogelijk maken, een grote rol.

Hydrologen zijn gewend om te werken met grondwaterformules, de tijdreeksanalyse en grondwatersimulatoren, om de oplossing van de stationaire stroming van het grondwatersysteem te berekenen.

Daarbij toonden zij de juistheid van hun berekeningen aan met een cirkel redenering. Een pompproef, die uitgaat van een grondwaterformule, werd gebruikt om vergunningen te verlenen voor water winvelden ontworpen met grondwaterformules die heel vaak niet toegepast mogen worden als mest verliezen naar de bodem een rol spelen.

Dit heeft als effect dat hydrologen niet weten wat ze niet weten, met als gevolg dat er al vele jaren, door dilettantisme, veel problematische winvelden zijn vergund door de provincie besturen.

Maar er is meer en de kennis betreffende dat meerdere, werd nooit gebruikt. Zo zijn er relaxatie oscillaties die een toestand beschrijven waarbij een deel van het grondwater zich op een plaats (x,y) en een tijdstip (t) bevindt, die geen onderdeel is van een stationaire oplossing.

Dat komt vanwege het bestaan van een straal ρ ≈ 3D, met D de effectieve dikte van de watervoerende lagen waardoor het mogelijk is om een fractie van het winbare deel van het stationaire debiet te winnen uit een cilinder C(ρ) met hoogte D en straal ρ, dat tevens gelijk is aan het winbare debiet q = aN, winnen uit het areaal a van C(ρ), met N de stationaire waarde van de neerslag. 

Op vergelijkbare wijze kunnen we het gehele debiet Q = AN, winnen uit het areaal A van C(R), met R de effectieve winningsstraal van het winveld A door gebruik te maken van ofwel een puntwinning, of een vlak dekkend gespreid winveld dat kleine debieten q =aN wint die samen gelijk zijn aan het debiet Q van het gehele winveld. 

Daarbij maken we voor de puntwinning, gebruik van de transportformule van Dupuit.

Er is nu, voor een hydrologie horizontaal,  sprake van twee stationaire verlagingen de winningsverlaging, van het gespreide winveld en de bijkomende transportverlaging uit de grondwaterformule van Dupuit.

Als gevolg van de groei van het gewas is er ook nóg een dynamische verlaging: de assimilatie verlaging die gedurende het teeltseizoen ontstaat uit de assimilatie winning. In Nederland is de stationaire waarde van de neerslag N=0.8m/jaar. Dat geeft bij een porievolume van 1/3 een waarde van de stationaire winningsverlaging van 0.2m en een actuele vorm van de puntspreidfunctie gelijk aan een Gauss curve. De totale verlaging die optreedt bij een puntwinning is de oneigenlijke som van de (optionele) transportverlaging + de winningsverlaging (met een Gauss vormige puntspreidfunctie) + de (naar de plaats (x,y) onbegrensde en naar de tijd (t) periodiek begrensde assimilatie winning), met een amplitude van ~0.8m. Ik sereek hier over een oneigenlijke som omdat er wel een realisatie mogelijk is zonder transportverlaging, maar niet zonder winningsverlaging.

De stationaire transport verlaging kunnen we met de integraalrekening berekenen, door het winbare debiet Q te sturen door de mantel van een cilinder C(r) en de daarbij horende gradiënt te integreren van ρ tot (R-ρ) en de bijbehorende integraal op te lossen, inclusief de bijbehorende integratie constante. De ontbrekende delen hebben alle een Gauss vormige puntspreidfunctie.

Het werken met een stationaire stroming is als het werken met een luidspreker waarvan de stand van de conus weliswaar kan veranderen, maar er zal nooit muziek uitkomen. Als we vervolgens blijven werken met de stationaire oplossing, en eisen dat de conus uitsluitend binnen het interval {l,h} beweegt, dan zullen we rekening moeten houden met de extreme waarden die de conus aan kan nemen. Bij het bepalen van het interval waarin de grondwaterspiegel zich mag bewegen om het assimilatie predicaat te voldoen, zullen we net als bij de conus van de luidspreker, ook rekening moeten houden met de extremen. 

De Advies Commissie Schade Grondwater (ACSG) probeert te werken met de gemiddelde schade over een de periode waarvoor de waterleidingbedrijven een vergunning hebben gekregen, en is van mening dat je mag uitgaan van een gemiddeld schade percentage, dat ook geldig is als de mest verliezen naar de bodem incidenteel heel groot zijn. Die zienswijze is heel oud, maar desalniettemin onjuist.

Er bestaan hoogwaardige water winvelden, die geen mestverlies naar de bodem kennen. Deze zijn wat ingewikkelder en vragen om meer technisch inzicht.

Omdat  ze geen mest verliezen naar de bodem geven, zijn ze extreem belangrijk voor de rentabiliteit van de waterleidingbedrijven, die op basis van kristalhelder grondwater, vrij van verontreinigingen, met een kleine zuiveringsinspanning, goedkoop drinkwater kunnen produceren. Ze zijn ook belangrijk voor het verdienvermogen van de Nederlandse Economie, omdat ze geen andere restricties opleggen aan de agrariërs, die als voorheen het overbemesting predicaat moeten voldoen.

---

Omdat het assimilatie predicaat pas voldaan wordt als de grondwaterspiegel zich in het interval b.g.{l,h}(w) van volledige assimilatie beweegt, met b de bodem, g het gewas, {l,h} het interval en (w) de actuele wortellengte van een snel groeiend gewas, zoals mais, die kan worden gebruikt om het interval te vergroten naarmate het gewas groeit.

Er wordt in de literatuur aangenomen dat hmv aan het begin van het teeltseizoen een vaste waarde h aanneemt, en als gevolg van de assimilatie verlaging in het teeltseizoen een 0.8m lagere waarde l aan zal nemen. Daar komt tenminste nog een waarde van de winningsverlaging bij van 0.2m voor een hydrologie horizontaal hoort daar ook nog in veel gevallen een transportverlaging volgens Dupuit bij. Met al die verlagingen is het onmogelijk om binnen het interval {1.4, 0.4}m -mv te blijven.

Gelukkig wordt het bruikbare deel {l,h} van het interval groter als we de relaxatie oscillatie kunnen elimineren door een hoogwaardig winveld te realiseren.

Maar in een droog teeltseizoen is er geen grondwateraanwas, waardoor er een groot assimilatie verlies zal ontstaan. Als er onder zulke omstandigheden ook nog sprake is van een relaxatie oscillatie kan hmv langdurig waarden aannemen < l. In zulke gevallen kan veel schade worden voorkomen als we onnodige verlagingen van hmv, o.a. door relaxatie oscillaties kunnen elimineren door een hoogwaardig winveld toe te passen.

Dit laat zien dat

als het winveld niet goed ontworpen is. Omdat agrariërs de komst van een waterleiding bedrijf moeten gedogen stelt art. 7.18 waterwet dat de waterleiding bedrijven een passende compensatie vergoeding verschuldigd zijn als het waterleiding bedrijf het assimilatie predicaat niet voldoet.