Het effect van landbouwkundig gebruik van een waterberging op de waterkwaliteit

Download hier een pdf van dit artikel.

De gevolgen van de klimaatverandering worden steeds vaker zichtbaar. Wateroverlast vanwege intensieve regenbuien is al geen bijzonderheid meer en bij ongewijzigd beleid zal dit alleen maar vaker voorkomen. Om het hoofd te kunnen bieden aan dergelijke wateroverlast wordt gezocht naar mogelijkheden om water tijdens intensieve regenbuien tijdelijk te bergen. Een van deze mogelijkheden is het aanleggen van waterbergingsgebieden.

De Commissie Waterbeheer 21e eeuw (Commissie WB21) heeft in 2000 in haar advies ‘Anders omgaan met water’ richting gegeven aan het toekomstige waterbeleid in Nederland. De kerngedachte is ‘meer ruimte voor water.’ De Unie van Waterschappen onderschrijft de hoofdprincipes van het advies van de Commissie WB21. Meer ruimte voor water, met als gedachteleidraad de drietrapsstrategie: vasthouden, bergen, afvoeren. Om de intensievere regenbuien in de toekomst het hoofd te kunnen bieden worden onder andere op grote schaal door de waterschappen waterbergingsgebieden gerealiseerd.

Waterbergingsgebieden in de Heinosche Vloedgraven

In het project Salland Waterproof (zie kader) zijn maatregelen gerealiseerd aan en in de omgeving van de Heinosche Vloedgraven, ten oosten van Heino in Overijssel (afbeelding 1) om het gebied klaar te maken voor de verwachte opgaven in de waterkwaliteit en -kwantiteit. Een onderdeel daarvan was het realiseren van enkele waterbergingslocaties om hoogwatergolven in de Heinosche Vloedgraven te kunnen aftoppen. Het gaat om lokale kortdurende bergingen (enkele uren tot een dag) van gebiedseigen water ter voorkoming van wateroverlast elders. De schatting is dat de bergingslocaties één tot twee keer per jaar ingezet moeten worden.

Omdat hoogwatergolven slechts sporadisch optreden, is voor de waterberging gezocht naar een combinatie met andere functies. Eén van de mogelijkheden is de combinatie van de waterberging met landbouwkundig gebruik: de landbouwberging. Om de dubbelfunctie waterberging/landbouw te faciliteren is de berging eerst afgegraven tot op zomerpeil, en daarna weer opgehoogd met de oorspronkelijke bouwvoor (circa 10 a 15 cm), waarin het gras goed kan wortelen. Hierdoor neemt wel de bergingscapaciteit af en daarom is meer oppervlakte nodig. Door de lage ligging van het maaiveld is het land uitsluitend te gebruiken als hooiland.

Afbeelding 1. Locatie waterbergingsgebied Aver-Heino (0,8 ha) (rode pijl)

Voordeel van de dubbelfunctie is dat de berging (in eigendom van het waterschap) de huidige bestemming landbouw kan behouden, met als gevolg dat het gebied niet wordt onttrokken aan het landbouwareaal en dat de onderhoudskosten voor het waterschap grotendeels komen te vervallen.

Bij normaal landbouwkundig gebruik hoort ook bemesting. Vanwege de kans op inundatie is voor de berging alleen bemesting met dierlijke mest toegestaan. Onkruiden mogen alleen worden bestreden op een duurzame wijze (biologisch of mechanisch).
Als een hoogwatergebeurtenis plaatsvindt kort na een bemesting, dan kan de waterkwaliteit door af- of uitspoeling van nutriënten negatief worden beïnvloed. De grootte van het effect op de waterkwaliteit hiervan was onbekend.

Onderzoek waterkwaliteitseffecten landbouwberging

Het effect van het bergen van water tijdens een hoogwatergebeurtenis in een landbouwberging is onderzocht door waterschap Groot Salland, in samenwerking met de onderzoeksinstituten Alterra en Animal Science Group van Wageningen-UR [1]. De onderzoeksvraag was of gebruik van een waterbergingsgebied als landbouwkundig graslandperceel nadelig is voor de kwaliteit van het aangrenzende oppervlaktewater.

Als locatie is de waterbergingslocatie bij de voormalige proefboerderij Aver-Heino gekozen (zie afbeelding 1).
In het onderzoek is de piekbelasting van de hoogwatergolf gesimuleerd door tijdelijk een stuw op te zetten. Om de eventuele effecten op de waterkwaliteit niet te onderschatten is gewerkt met een zogenaamde worst case-situatie. Onder worst case wordt in dit onderzoek verstaan dat enige dagen na de mestgift een hoogwatersituatie ontstaat, waardoor water wordt geborgen op een recentelijk bemest perceel. Om zo’n situatie zo goed mogelijk te benaderen is kort voor de proef het perceel bemest.

Het experiment is tweemaal gedaan: de eerste keer op 22 en 23 augustus 2012, de tweede keer op 18 en 19 april 2013. Bij dit tweede experiment is de waterkwaliteit en waterafvoer intensiever gemeten. Op basis van deze (tweede ronde) gegevens konden water- en nutriëntenbalansen worden opgesteld. De gegevens uit het eerste onderzoek zijn minder compleet en zijn te beschouwen als indicatie; ze zijn gebruikt om de vastgestelde belastingen uit het tweede onderzoek te toetsen.

Twee dagen voorafgaand aan het experiment (16 april 2013) is 20 m³ drijfmest geïnjecteerd in de bodem van de waterberging. Uit analyses van de dierlijke mest blijkt dat deze mestgift overeen komt met een gift van 81 kg stikstof en 12,3 kg fosfor. Uitgaande van de oppervlakte van de waterberging van 0,8 ha komt dit overeen met een mestgift van 101 kg/ha stikstof (N-totaal) en 15,4 kg/ha fosfor (P-totaal).
In de ochtend van 18 april is de stuw Aver-Heino met circa 50 cm opgezet. Binnen enkele uren was het waterpeil ver genoeg gestegen om in de waterberging te lopen. 18 uur na het opzetten van de stuw bereikte het waterpeil de hoogste stand.

De waterberging is in te delen in twee verschillende vormen van berging:

• berging in het stuwpand van de Heinosche Vloedgraven en de daarmee in verbinding staande waterlopen door stijgende oppervlaktewaterstand en
• berging op het waterbergend perceel naast de waterloop op het moment dat een bepaalde drempel wordt overschreden.

Gedurende de looptijd van het onderzoek kunnen een aantal omslagmomenten worden onderscheiden die het mogelijk maken de looptijd op te splitsen in een aantal fasen of tijdvakken, namelijk:

• Fase 1: periode voorafgaande aan het opzetten van de stuw (Afv=Aanv).
• Fase 2: periode waarin de stuw is opgezet, waarbij het peil in het stuwvak stijgt en de waterberging wordt gevuld (Afv=Aanv-Eo-Bo-Io-Bm-Bonv-Im).
• Fase 3A: periode vanaf verlaging van de stuw totdat de waterberging is leeggelopen (Afv=Aanv+Bo-Io+Bm-Im).
• Fase 3B: periode waarin het waterpeil in het peilvak daalt tot een evenwichtswaarde (Afv=Aanv+Bo-Io).
• Fase 4 = fase 1: periode waarin het effect van de inundatie is uitgewerkt (Afv=Aanv)

Hierin is:

Afv = Afvoer over stuw Aver-Heino in m³,
Aanv = Aanvoer in m³,
Eo = Open waterverdamping in m³,
Bo =Berging in het peilvak in m³,
Io = Extra infiltratie vanuit het peilvak in m³,
Bm = Berging op het maaiveld landbouwberging in m³,
Bonv = Berging in de onverzadigde bodemzone van de
landbouwberging in m³,
Im = Infiltratie vanuit landbouwberging naar het grondwater in m³.

Met vaste intervallen zijn in de verschillende fasen monsters genomen van het oppervlaktewater net voor en net achter de stuw en van het water op het maaiveld van de landbouwberging. De watermonsters zijn geanalyseerd op het stikstof- en fosforgehalte.

Resultaten

Eerst zijn voor de verschillende fasen van het experiment waterbalansen opgesteld met behulp van gemeten waterstanden, debietformules en relaties. De meeste termen van de waterbalans konden worden ingevuld op basis van de beschikbare gegevens. Tijdens de proef is een balk op de stuw geplaatst. De afvoer van de stuw is gecorrigeerd op basis van gegevens over de balk. De infiltratie vanuit de waterloop en vanaf maaiveld was echter moeilijk in te schatten, omdat de infiltratieweerstand van de waterloop en de infiltratiesnelheid vanaf het maaiveld niet zijn gemeten en uit de beschikbare gegevens niet direct zijn af te leiden, schattingen hierover zijn ontleend aan veldonderzoek op vergelijkbare locaties. Voor het schatten van de infiltratie zijn gemiddelde oppervlakte- en grondwaterstanden op de proeflocatie gehanteerd en zijn waarden voor de infiltratieweerstand van de waterloop en de infiltratiesnelheid vanaf het maaiveld ingeschat uit veldonderzoek. Door de onzekerheden in gemeten debiet, de infiltratie vanuit de waterloop en de infiltratie vanaf maaiveld zijn de waterbalansen indicatief..
In afbeelding 2 is de procentuele verdeling van de aanvoer over de verschillende termen van de waterbalans in fase 2 en 3 weergegeven. Aangezien in fase 1 de aanvoer en afvoer van water gelijk is, is deze fase buiten beschouwing gelaten.

Afbeelding 2. Procentuele verdeling van de aanvoer over de verschillende termen van de waterbalans in fase 2 en 3

Na verloop van tijd na het opzetten van de stuw wordt een peil bereikt dat hoger is dan de stuw, waardoor er weer afvoer plaatsvindt. Uit afbeelding 2 blijkt dat in fase 2 circa een derde van de bovenstroomse aanvoer van water via stuw Aver-Heino is afgevoerd. Het restant is verdeeld over de waterloop en waterberging in de verhouding van circa 2:1. Echter een groot deel van deze aanvoer leidt tot extra infiltratie naar de ondergrond vanuit de waterloop en vanuit de inundatie, ongeveer 48% van de aanvoer. Ongeveer 20% van de aanvoer wordt geborgen in de waterloop, op het maaiveld van de waterberging en in de onverzadigde zone.
Gedurende fase 3A is de afvoer groter dan de aanvoer. Deze extra afvoer wordt geleverd vanuit de extra berging in de sloot en vanuit het maaiveld van de landbouwberging. De bijdrage vanuit de maaiveldberging is groter dan vanuit de waterloop. Gedurende fase 3B is de afvoer eveneens groter dan de aanvoer. Deze extra afvoer wordt alleen geleverd vanuit de extra berging in de sloot.

Afbeelding 3 geeft de gemeten stikstof- en fosforconcentraties weer tijdens het experiment op april 2013. De gemeten concentraties zijn na de landbouwberging hoger dan voor de landbouwberging, zowel voor stikstof als voor fosfor. Voor stikstof is het verschil circa 0,30 mg/l, voor fosfor circa 0,05 mg/l.

  
Afbeelding 3. Gemeten stikstof- (links) en fosforconcentraties (rechts) in mg/l N-totaal en mg/l P-totaal voor en na de landbouwberging en in het inundatiewater op 19 april 2013
De metingen vóór de stuw zijn in blauw weergegeven; de metingen na de stuw in rood; de metingen in het inundatiewater in groen.

Het inundatiewater heeft, vergeleken met het oppervlaktewater voor de landbouwberging, een stikstofconcentratie die gemiddeld een factor twee hoger is (maximumwaarde een factor drie). Voor fosfor is dit zelfs een factor vier (maximumwaarde een factor vijf).

Afbeelding 4. Stuw Aver-Heino met rechts de landbouwberging tijdens leegloop (foto: Wilfred Wiegman)

Uit de waterbalans blijkt dat 2 tot 2½ uur na het strijken van de stuw nog een bijdrage van de waterafvoer vanaf het maaiveld (afvoer van inundatiewater) mogelijk is (afbeelding 2). Op dat moment wordt voor zowel stikstof als voor fosfor het maximale verschil tussen de concentraties voor en na de landbouwberging waargenomen. Na 2½ uur komt er geen bijdrage meer vanaf het maaiveld, maar is er nog wel inundatiewater in de waterloop voor de stuw aanwezig (fase 3b: afbeelding 2). Hierdoor bestaat er nog steeds een verschil in concentratie tussen het oppervlaktewater voor en na de landbouwberging. Dit verschil verdwijnt als al het inundatiewater is afgevoerd.

Uit het onderzoek van augustus 2012 zijn twee meetwaarden beschikbaar van de stikstof- en fosforconcentraties voor en na stuw Aver-Heino. Ook in deze metingen is het verschil in fosforconcentratie voor en na de stuw 0,05 mg/l totaal-fosfor. Voor stikstof leveren de twee metingen een ander beeld op. In de eerste meting is de meetwaarde voor de stuw bijna 2 mg/l hoger dan na de stuw, terwijl in de tweede meting het stikstofgehalte in de meting na de stuw 0,15 mg/l hoger is dan voor de stuw. De tweede meting ligt hiermee in lijn van het onderzoek in april 2013. Voor het verschil tussen de eerste en de tweede meting hebben we geen verklaring.

Op basis van de gegevens van de waterbalans van de verschillende fasen van het experiment (afbeelding 2) en de gemeten stikstof- en fosforconcentraties in het oppervlaktewater kan een nutriëntenbalans worden opgesteld. Daarmee kan de nutriëntenvracht vanuit de waterberging worden bepaald. In fase 1 is de aanvoer van water en nutriënten en afvoer van water en nutriënten gelijk. De bijdrage van nutriënten vanuit de waterberging is dan nul. In fase 2 is er alleen aanvoer van water (en nutriënten) naar de waterberging, maar geen afvoer uit de landbouwberging, dus ook in die fase is de bijdrage van de waterberging nul. In fase 3A en 3B is er echter wel een bijdrage vanuit de waterberging. Voor fase 3A is een bijdrage van 3,7 kg stikstof en 0,31 kg fosfor bepaald. Voor fase 3B is een bijdrage van 3,2 kg stikstof en 0,34 kg fosfor bepaald. De totale bijdrage vanuit de waterberging voor het experiment in april 2013 komt hierbij op 6,9 kg stikstof en 0,65 kg fosfor. Dit betekent dat ca. 8,5% van de hoeveelheid stikstof die is toegediend – mestinjectie van dierlijke mest – is uitgespoeld naar het oppervlaktewater. Voor fosfor is dit ca. 5% van de totale hoeveelheid.

Om een indruk te krijgen in hoeverre deze verliezen een significant effect op de waterkwaliteit hebben, is de stikstof- en fosforvracht vanuit de waterberging afgezet tegen de reguliere nutriëntenvracht op deze locatie in de Heinosche Vloedgraven. Het meest recente jaar waarvoor een complete reeks van waterafvoeren en nutriënten beschikbaar is, is het jaar 2012. Op basis van gegevens uit 2012 (dagelijks gemeten waterafvoeren en maandelijkse metingen van stikstof- en fosforconcentraties in het oppervlaktewater) kon voor dat jaar een stikstof- en fosforvracht van respectievelijk 5216 en 291 kg worden vastgesteld. Ten opzichte daarvan leidt het bergen van een hoogwatersituatie in de waterberging van Aver-Heino, met landbouwkundig gebruik en met recente bemesting, tot een verhoging van de nutriëntenhoeveelheid in het oppervlaktewater van 0,13% voor stikstof en 0,22% voor fosfor. Deze toename is niet significant (< 10%) en is kleiner dan de onnauwkeurigheid van de waterkwaliteitsmetingen.

Conclusies en discussie

In dit onderzoek is voor een eenmalige hoogwatersituatie een toename van de nutriëntenhoeveelheid in het oppervlaktewater vastgesteld van 0,13% voor stikstof en 0,22% voor fosfor. De totale oppervlakte van de waterberging van Aver-Heino is 0,65 ha. Dit betekent een theoretische bijdrage van 0,20% voor stikstof en 0,34% voor fosfor per hectare landbouwberging en per hoogwatersituatie. Hierbij dient echter te worden aangetekend dat in dit onderzoek een worst case-scenario is uitgewerkt. In de praktijk zou de bijdrage lager kunnen zijn. Zonder (recente) bemesting zou er zelfs sprake kunnen zijn van een verlaging van de nutriëntenbelasting van het oppervlaktewater (landbouwberging als een ‘sink’ voor nutriënten).
De resultaten van dit onderzoek zijn vergeleken met die van een voorstudie naar de mogelijkheden voor het introduceren van waterberging op landbouwgrond in het gebied Olst-Wesepe in Overijssel [2, 3]. In deze voorstudie is gekeken onder welke voorwaarden piekwaterberging te realiseren is op graslandpercelen van een melkveehouderij en welke milieukundige consequenties dit heeft. Ook het effect van de waterberging op de kwaliteit van het grond- en oppervlaktewater is hierin meegenomen en ook hier bleek het effect marginaal. Uit de acht metingen in deze studie – over de periode december 2005 tot september 2008 – werd voor en na de landbouwberging een gemiddeld verschil van 0,06 mg/l totaal-fosfor aangetroffen. Deze waarde komt goed overeen met de bevindingen in de landbouwberging van Aver-Heino. Voor stikstof werd in deze studie zelfs een afname in concentratie gevonden van gemiddeld -0,23 mg/l totaal-stikstof.

Literatuur

1. Massop, H.T.L., Roelsma, J., Maaswaal, D. van & Wiegman, W. (in voorbereiding). Waterberging en waterkwaliteit. Praktijkproef naar het effect van bemesting van een waterberging op de waterkwaliteit van de Heinosche Vloedgraven. Alterra-rapport. Alterra, Wageningen.
2. Corporaal, A., Schrijver, R.A.M. & Stortelder, A.H.F. (2002). Boeren met ruimte voor water, landschap en natuur in Olst-Wesepe. Een quick scan naar meer mogelijkheden voor boeren om bedrijfsmatig rekening te houden met ruimte voor water(berging), landschap en natuur in het landinrichtingsproject Olst-Wesepe. Alterra-rapport 421. Alterra, Wageningen.
3. Bakker, G., Vos, J.A. de, Corporaal, A., Hoving, I.E., Barwegen, J., Sietzema, F., Kerkmeijer, E.J. & Kerkmeijer, W.E.M. (2009). Boeren met Water – Monitoringsresultaten. Landbouwkundige en milieukundige gevolgen van piekwaterberging op grasland in Salland in de periode 2005 – 2008. Alterra-rapport 1793. Alterra, Wageningen.