H2O Vakartikelen

Download hier een pdf van dit artikel.

Menselijke uitwerpselen en dierlijke mest lijken qua samenstelling veel op elkaar. Toch is de wijze waarop we ermee omgaan totaal verschillend. Tot eind jaren negentig werd zuiveringsslib nog wel gebruikt als meststof, maar vanwege de verontreinigingen met metalen is dit in Nederland niet meer toegestaan. Het slib wordt daarom steeds vaker verbrand. Hierbij wordt weliswaar de energie-inhoud van de organische stof benut, maar verdwijnen de nutriënten als gas (stikstof) of vastgelegd in de as (fosfor).
Door de grootschalige importen van veevoer en kunstmest is bovendien een overschot aan dierlijke mest ontstaan. Hierdoor is de praktijk gegroeid om overschotmest te verwerken en buiten de Nederlandse landbouw te benutten. De focus ligt hierbij op het exporteren van fosfor in de vorm van gehygiëniseerde mest of mestkorrels. De verwerking van de dunne fractie is gericht op het terugwinnen van bruikbare stoffen (stikstof en kalium).

Groeiend fosfaat- en energietekort
Fosfor wordt geïmporteerd uit landen buiten Europa (vooral de VS, Rusland en Marokko). Schattingen geven aan dat bij het huidige gebruik van fosfor in de landbouw, de economische fosfaatvoorraad in de wereld over 30 tot 90 jaar uitgeput is. De moeilijker toegankelijke fosforvoorraden zullen naar verwachting nog een halve eeuw tot ruim twee eeuwen kunnen voorzien in onze behoefte, afhankelijk van de ontwikkeling van het gebruik van fosfaat [1]. De toenemende schaarste is nu al merkbaar in stijgende fosforprijzen. Het hergebruik van mineralen in zuiveringsslib en mest wordt daarmee aantrekkelijker.
Op dezelfde termijn raken ook de voorraden fossiele brandstoffen op. Bovendien vraagt de maatschappij om omschakeling naar duurzame energie. Het wordt dus interessant om de organische stof in zuiveringsslib en mest te benutten als energiebron, bijvoorbeeld via vergisting, pyrolyse of verbranding.

Mestsamenstelling en -kwantiteit
Menselijke en dierlijke mest hebben beide een vergelijkbare oorsprong: het zijn de overblijfselen van het verteren van voedsel. Menselijke mest komt terecht in het riool en vervolgens in zuiveringsslib. De volumes en gehalten aan stikstof, fosfaat, kalium en organische stof in verschillende soorten mest en in zuiveringsslib zijn vermeld in tabel 1.

Tabel 1. Vergelijking volume en samenstelling zuiveringsslib en dierlijke mest
(Bron: CBS, 2012 en [2])

Uitgedrukt in P en N is het volume aan mest in Nederland een factor vijf groter dan het volume aan zuiveringsslib.

Op zoek naar gezamenlijke kennis en samenwerking
Waterzuivering en (dierlijke) mestverwerking vertonen opvallende parallellen én verschillen in organisatie en techniek. Mogelijkheden voor wederzijdse inspiratie en samenwerking kunnen bijvoorbeeld liggen op het vlak van technologische ontwikkeling, organisatie en financiering, marktontwikkeling en het gezamenlijke gebruik van infrastructuur.
Medio 2012 organiseerden Wetsus en InnovatieNetwerk een workshop over dit onderwerp met deelnemers uit de wereld van de waterzuivering en de mestverwerking. Dit artikel bouwt voort op de resultaten van die workshop. We geven een aanzet voor een gezamenlijke kennis- en innovatie-agenda van beide sectoren. Daarbij ligt het accent op samenwerking bij de technologische ontwikkeling, van fundamenteel onderzoek tot pilots in de praktijk.
In dit artikel gaan we eerst wat dieper in op de overeenkomsten en verschillen tussen humane en dierlijke mest. Vervolgens schetsen we de belangrijkste ontwikkelingen in de watertechniek en in de mestverwerking. Daarna geven we aan op welke punten beide sectoren van elkaar kunnen leren.

Ontwikkelingen in de waterzuivering
Bij de rioolwaterzuivering verandert de kijk op nutriënten en organische stof. Lange tijd zag men deze vooral als probleemstoffen. Tegenwoordig realiseert men zich dat het waardevolle grondstoffen zijn.

Energie- en Grondstoffenfabriek
Een eerste stap zetten de waterschappen enkele jaren geleden door de introductie van het concept ‘Energiefabriek’. De achterliggende gedachte is dat er voldoende energie in het rioolwater aanwezig is om de eigen rioolwaterzuivering van energie te voorzien en het surplus te leveren aan het electriciteitsnet. Er is hernieuwde aandacht voor processen die de gasproductie van de gisting verhogen. Er zijn diverse projecten gestart waarbij men het slib eerst thermisch en onder druk hydrolyseert om zo meer biogas te winnen. Ook streeft men niet langer in de eerste plaats naar minimale slibproductie maar zoekt men nu juist naar processen die de slibproductie vergroten, zodat de vergisting ervan meer energie oplevert.
Deze nieuwe aanpak zorgde voor veel enthousiasme en nieuwe ideeën bij de waterschappen. De Energiefabriek wordt nu opgevolgd door de Grondstoffenfabriek. In dit project onderzoekt men de mogelijkheden om waardevolle grondstoffen uit het rioolwater te winnen, te beginnen bij fosfaat. Bij enkele rioolwaterzuiveringen worden installaties gerealiseerd die het fosfaat als struviet winnen uit het rioolwater, bijvoorbeeld in Amsterdam, Apeldoorn, Tilburg en Venlo. Ook zijn er goede mogelijkheden om na slibverbranding fosfor terug te winnen uit de as. Deels gebeurde dit al bij Slibverwerking Noord-Brabant door geschikte, ijzerarme slibben apart te verbranden en de as af te zetten naar fosforproducent Thermphos. Door het faillissement van Thermphos is dit gestopt, maar er lopen proeven voor inzet van de as bij ICL Fertilizers.

Cellulosewinning
Een andere interessante ontwikkeling is de winning van cellulosevezels uit het rioolwater. Deze cellulose is vooral afkomstig van wc-papier. Pilotonderzoek met een microzeef op de rwzi Blaricum heeft aangetoond dat het mogelijk is een relatief goed gedefinieerde stroom biomassa met interessante volumes te krijgen uit rioolwater [2]. Voor gebruik in de papierindustrie is de cellulose waarschijnlijk te vervuild, maar met specifieke behandelingen kan het mogelijk geschikt worden gemaakt voor biobased grondstoffen.

Productie van bioplastics
Een recent ontwikkelde techniek maakt het mogelijk bioplastics te maken uit rioolwater. De bacteriën voor de zuivering van het afvalwater zetten onder bepaalde omstandigheden vetzuren om in polyhydroxyalkanoaat (PHA). Dit is een soort plastic, verwant aan polymelkzuur (PLA), dat nu al veel gebruikt wordt diverse toepassingen. Door de juiste omstandigheden te creëren gaan de bacteriën PHA produceren (als energiereserve voor slechtere tijden), waardoor uiteindelijk meer dan 90% van de celmassa uit het polymeer bestaat. Dit kan vervolgens uit het slib worden geëxtraheerd. Na langdurig onderzoek is de techniek nu rijp om in de praktijk te testen. In de rioolwaterzuivering van Brussel produceert Veolia Water nu al enkele kilogrammen bioplastic per maand. De waterschappen onderzoeken de toepassing van deze techniek in Nederland.

Gescheiden sanitatie
In (zieken)huizen en bedrijfspanden worden nieuwe concepten voor sanitatie getest. De hogere concentraties aan de bron maken het mogelijk meer energie en grondstoffen te winnen. Bovendien wordt hierdoor kruisvervuiling met bijvoorbeeld industriële afvalwaterstromen vermeden. De concepten voor decentrale sanitatie vertonen veel overeenkomsten met de verwerking van dierlijke mest, die ook decentraal plaatsvindt.
In het SOURCE-project is dunne mest verwerkt samen met de urine uit een ziekenhuis. Een nieuwe ontwikkeling is de gescheiden behandeling van faeces en urine. Het zwarte water met faeces biedt goede mogelijkheden voor anaerobe energieproductie. De urine is interessant als bron van fosfaat en stikstof. Wetsus heeft een techniek ontwikkeld om bacteriën stroom te laten produceren uit urine en daarbij tevens ammoniak en struviet terug te winnen.

Overige technieken
Ook voor de verwerking van industriële afvalwaterstromen worden technieken ontwikkeld om zuiver water te maken en grondstoffen te winnen. Deze technieken kunnen relevant zijn voor de verwerking van mest. Zo wordt er bij Wetsus veel onderzoek gedaan naar het gebruik van membraantechnieken voor het maken van schoon drinkwater. Vooral de vervuiling (fouling) van deze membranen vormt in de praktijk een probleem. Er zijn inmiddels verschillende mogelijkheden om dit probleem te beheersen of zelfs te voorkomen. Ook zijn technieken in opkomst om met relatief weinig energie waterige stromen in te dikken en zouten terug te winnen. Interessant in dit verband is eutektische vrieskristallisatie. Momenteel lopen de eerste praktijkproeven met deze techniek voor de behandeling van Reverse Osmosis-concentraat afkomstig van de behandeling van de dunne fractie van mest.

Ontwikkelingen in de mestverwerking
De eerste initiatieven op het gebied van mestverwerking dateren van 20-30 jaar geleden. Door scheiden, (de)nitrificatie, vergisten en drogen werd de mest verwerkt tot energie en een gekorreld eindproduct [4]. Met name vanwege de onzekerheid in de aanvoer van mest bij schommelende marktprijzen zijn deze initiatieven nooit echt van de grond gekomen.
In dezelfde tijd is ook voorzichtig gestart met het scheiden van dierlijke drijfmest in een dunne en een dikke fractie op de boerderij. Inmiddels wordt mestscheiding regelmatig toegepast, vooral op rundveebedrijven, omdat de dunne fractie op het eigen bedrijf ingezet kan worden als N-meststof. De dikke fractie wordt als meststof en bodemverbeteraar afgevoerd naar de akkerbouw. Dit levert een besparing op in transportkosten.

Vergisting
De laatste jaren heeft vergisting een hoge vlucht genomen, mede door overheidssubsidies voor duurzame energie. Momenteel zijn circa 140 vergistingsinstallaties in bedrijf. Vanwege de slechte vergistbaarheid van mest worden in deze installaties meestal ook andere organische stromen (zoals mais, gras, glycerine) meevergist om zo meer biogas te kunnen produceren. . Het biogas wordt ter plaatse omgezet in elektriciteit en warmte of het wordt geleverd aan het gasnet. De vergisting van mest samen met andere producten stagneert momenteel vanwege de stijgende grondstofprijzen van de co-producten en vanwege de stijging van het mestaanbod. Daarom komt mono-vergisting - van uitsluitend mest - meer in de belangstelling. De hiervoor noodzakelijke investeringen zijn echter nog relatief hoog ten opzichte van de opbrengsten. Er zijn verschillende technieken in ontwikkeling – verhitting, drukverhoging of enzymatische behandeling – om het rendement te verhogen door ontsluiting van het vezelrijke materiaal in de mest. Elektriciteitsproductie door verbranding van biogas in een gasmotor heeft als voordeel dat het digestaat met de vrijkomende warmte kan worden gedroogd en gehygiëniseerd, wat een vereiste is voor afzet van het eindproduct als meststof.

Mineralen verwaarden
Stikstof en kalium bevinden zich overwegend in de urine, terwijl het fosfaat en de organische stof overwegend in de vaste mest zitten. De huidige marktwaarde van de mineralen (N, P en K) en de organische stof in mest bij toepassing als bodembemester is weergegeven in tabel 2.

Tabel 2. Gehalten en waarden van mineralen en organische stof in mest [5]

Om deze mineralen te benutten zijn verschillende routes mogelijk. Voor de benutting van N en K is de productie van mineralenconcentraten uit de dunne fractie een optie. Zulke concentratenzijn bruikbaar als kunstmestvervanger. Hiervoor is wel aanpassing van de regelgeving noodzakelijk. Vanaf 2009 zijn, met instemming van de Europese Commissie, in een achttal pilots de landbouwkundige, economische en milieukundige effecten van productie en gebruik van verschillende mineralenconcentraten als kunstmest onderzocht. Gegevens uit het onderzoek [6] dienen voor overleg met de Europese Commissie over een wettelijke erkenning van het mineralenconcentraat als kunstmest. Een belangrijke bottleneck bij de praktische toepassing zijn de lage gehalten in de ‘concentraten’: minder dan 10 gram N en K per kg. Hierdoor zijn de kosten voor de toediening van deze meststoffen relatief hoog.
Voor het winnen van fosfaat uit mest is verbranding een mogelijke route. Momenteel wordt de as – met fosfaat – na vergassing en verbranding gebruikt in asfalt voor snelwegen, wat een onomkeerbaar verlies van de nutriënten betekent. Bij de verbranding van pluimveemest is een meer duurzame weg gekozen: calciumfosfaat wordt teruggewonnen en geleverd aan de kunstmestindustrie. Nieuwe technieken bieden goede mogelijkheden om het fosfaat na de verbranding terug te winnen uit de as met behoud van de biologische beschikbaarheid, zoals bij de verbranding van zuiveringsslib is aangetoond.

Parallellen met watersector
Al enkele decennia wordt de mest van vleeskalveren grotendeels centraal verwerkt. De verwerkingstechnieken zijn vergelijkbaar met die in de waterzuivering: scheiden en (de)nitrificeren. Het effluent wordt geloosd en het slib wordt afgezet naar de landbouw. Mestverwerking Gelderland produceert hierbij in Putten al enige jaren ook kaliumstruviet als bijproduct.
In 2012 zijn er enkele proeven met mestraffinage gestart. De mest wordt daarbij na vergisting omgezet in bijvoorbeeld organische mestkorrels, struviet, N en K-concentraten en effluenten. Als dit positieve resultaten oplevert kunnen deze technieken ook op rioolwater worden toegepast. Mogelijk kan het effluent van de raffinage via een rwzi verder behandeld worden.
Net als bij menselijke mest is vooral in de varkenshouderij, maar ook steeds meer in de rundveehouderij, onderzoek verricht naar het gescheiden opvangen van urine en faeces. De technieken zijn inmiddels beschikbaar (mestbanden, sleuvenvloer, mestschuiven) maar nog wel storingsgevoelig. De verwachting is dat een verdere doorontwikkeling plaatsvindt, gekoppeld aan kleinere mestplaatsen voor varkens, de zogenaamde varkenstoiletten.

Samenwerking tussen de sectoren
In 2011 is een studie gedaan in opdracht van de STOWA, het Productschap Vee en Vlees en Waterschapsbedrijf Limburg naar de mogelijke synergie tussen rioolwaterzuivering en mestverwerking [7]. Deze studie richt zich vooral op de verwerking van mest op rioolwaterzuiveringen en concludeert dat de meeste kansen daarvoor liggen in de verwerking van de dunne fractie van de mest. Gezamenlijke verwerking van ruwe mest en rioolwater is moeilijker want dat leidt vooralsnog tot te hoge kosten voor de mestverwerking.

Knelpunten
Lozing van het effluent van mestverwerking op een rwzi is niet vanzelfsprekend. Ten eerste dient de rwzi voldoende capaciteit te hebben en bij voorkeur te kunnen lozen op groot open water. De waterschappen gaan scherpere eisen aan de lozingen stellen in verband met de Kaderrichtlijn Water. Daarbij komen vanuit de maatschappij vragen over ziektekiemen, hormonen, zware metalen en antibiotica in dit effluent. Nader onderzoek naar deze stoffen is noodzakelijk. Alleen dan kunnen oplossingen worden geformuleerd en kunnen garanties worden afgegeven over deze lozingen.
Momenteel worden proeven gedaan bij Slibverwerking Noord-Brabant met het meeverbranden van dierlijke mest bij de verwerking van zuiveringsslib. Dit is interessant nu het mogelijk blijkt te zijn om het fosfaat uit de as van de slibverbrandingsinstallatie terug te winnen. Toch valt ook deze route relatief duur uit voor de verwerking van mest omdat zuiveringsslib nu eenmaal vuiler is dan mest. Hierdoor is de verwerking van slib duurder en ditzelfde tarief zal ook toegepast moeten worden op de verwerking van mest. Een ander punt is dat de hoeveelheden mest en slib niet vergelijkbaar zijn. Uitgedrukt in P en N is het volume aan mest in Nederland een factor vijf groter dan het volume aan zuiveringsslib. Daardoor vormt eventuele restcapaciteit in de slibverbranding of de rioolwaterzuivering maar een klein deel van de noodzakelijke verwerkingscapaciteit van mest.
Een praktische samenwerking tussen de watersector en mestverwerking is ook om andere redenen moeilijk. Zo is de watersector sterk centraal en publiek georganiseerd in enkele relatief grote waterschappen, terwijl de mest geproduceerd wordt bij een groot aantal kleine ondernemers. Hierdoor is de wereld van de mestverwerking sterk gericht op praktische, kleinschalige en goedkope oplossingen die zich in zeer korte tijd kunnen terugverdienen. De watersector heeft juist veel geïnvesteerd in installaties met een lange levensduur en is daardoor minder flexibel. De grotere mate van centralisatie in de waterzuivering biedt anderzijds de mogelijkheid om zaken met een zekere schaalgrootte aan te pakken. Een goed voorbeeld zijn de centrale slibverbrandingsinstallaties in Moerdijk en Dordrecht die al in de jaren ’90 zijn gerealiseerd. Dit terwijl een centrale kippenmestverbranding pas na een lange aanloop in 2008 in bedrijf kon worden genomen omdat het zeker stellen van voldoende aanvoer voor problemen zorgde.
Een andere mogelijkheid is om slib en mest apart te verwerken in een unit en synergie te halen uit bijvoorbeeld het gezamenlijk winnen en inzetten van warmte en het toepassen van dezelfde technieken in de verschillende stromen.

Kansen
De meeste kansen voor samenwerking tussen de mest- en de waterwereld liggen in de ontwikkeling van nieuwe technieken voor de verwerking van rioolwater en mest. Juist op dit punt kunnen de sectoren elkaar inspireren en daardoor komen tot geheel nieuwe concepten. Vervolgens kan doorontwikkeling plaatsvinden op een manier die past bij de eigen sector. De mestverwerking kan baat hebben bij de langetermijnoriëntatie van de watersector, die ruimte biedt voor compleet nieuwe technieken. De watersector kan juist baat hebben bij praktische en goedkope toepassingen in mestverwerking en de daar aanwezige flexibiliteit om technieken op kleinere schaal uit te proberen.
De ontwikkelingen in decentrale behandeling van rioolwater kunnen bijvoorbeeld interessant zijn voor de behandeling van mest en omgekeerd. Juist hier vertonen de te behandelen stromen de meeste overeenkomsten. Vanwege de bestaande, goede riolerings-infrastructuur blijkt het moeilijk om de technieken voor decentrale behandeling van afvalwater door te laten breken. Toepassing van deze technieken bij de decentrale verwerking van mest kan de ontwikkeling versnellen. Voor de verwerking van menselijke uitwerpselen in ontwikkelingslanden is grote behoefte aan nieuwe technieken die niet een uitgebreide riolering en bijbehorend waterverbruik vergen.
In de toekomst zijn tekorten te verwachten aan bestanddelen in mest zoals stikstof, fosfor en bepaalde (zware) metalen. Terugwinning van fosfaat en andere nutriënten uit zuiveringsslib krijgt al veel aandacht in huidige onderzoeksprogramma’s [8]. De mestverwerking kan hiervan leren, vooral om producten uit mest te maken met een geborgde constante samenstelling.
Onlangs zijn in een studie innovatieve technieken voor stikstofterugwinning vergeleken met het gangbare HaberBosch-proces voor kunstmestproductie [9]. Vanwege het hoge directe en indirecte energiegebruik (input aan hulpstoffen) is hergebruik van stikstof nog niet economisch interessant. Hier ligt een gemeenschappelijke opgave voor de water- en mestverwerkingssector.
Een ander logisch gebied voor samenwerking is het ontzouten van waterstromen en het winnen van nutriënten uit de dunne fractie. Bij beide processen worden vergelijkbare technieken ingezet, zoals membraantechnieken. De behandeling van de dunne mestfractie kan baat hebben bij onderzoek naar het voorkomen van fouling en de ontwikkeling van ion-selectieve membranen. Ook ontzoutingstechnieken zoals electrospray, superkritisch ontzouten en eutektische vrieskristallisatie kunnen interessant zijn voor het behandelen van de dunne mestfractie. Nieuw voor de watersector is daarbij de focus op de waarde van de zoute fractie.

Voor de gewenste transitie naar een bio-based economie is het benutten van alle biomassa-stromen van belang. Zuiveringsslib en mest vertegenwoordigen gezamenlijk een interessant volume. Tot nu toe ligt de focus vooral op de (gedeeltelijke) omzetting van de organische stof in biogas. Voorbeelden uit de rioolwaterzuivering laten zien dat er ook hoogwaardigere stoffen gemaakt kunnen worden, zoals bioplastics, vetzuren en cellulose. Deze technieken zijn niet zonder meer te gebruiken bij de verwerking van mest omdat mest meer vezelrijk materiaal bevat. Toch kunnen deze technieken een aanzet geven tot nieuwe onderzoeksrichtingen bij de behandeling van mest. In alle gevallen zal na winning van de meest waardevolle stoffen een organisch residu overblijven. Thermische verwerkingsmethoden als superkritisch vergassen of een hydrothermische omzetting in een verkoold nutriëntrijk residu (biochar) zijn geschikt voor dergelijke natte stromen. Een gezamenlijke ontwikkeling van dergelijke technieken ligt voor de hand.

Conclusie
Menselijke en dierlijke mest vertonen grote overeenkomsten in samenstelling (N, P, K, organische stof). Bij de verwerking van zuiveringsslib en mest streeft men steeds meer naar het terugwinnen en optimaal benutten van de hierin aanwezige grondstoffen.
De wijze van verwerking is echter nogal verschillend, met enerzijds de grootschalige centrale verwerking van zuiveringsslib en anderzijds de kleinschalige scheiding en vergisting van mest op boerderijen. Juist deze verschillen kunnen wederzijds inspireren: bij de ontwikkeling van decentrale sanitatie kan men voortbouwen op de eenvoudige en relatief goedkope technieken uit de veehouderij. Andersom kan grootschalige mestverwerking profiteren van de ervaringen met meer geavanceerde, duurdere technieken bij centrale verwerking van zuiveringsslib. Ook kunnen waterzuiveraars en mestverwerkers gezamenlijk investeren in de ontwikkeling van nieuwe technieken, bijvoorbeeld voor de terugwinning van mineralen en de productie van bioplastics, vetzuren en cellulose.
Naast de samenwerking bij de technologische ontwikkeling ligt ook gezamenlijke verwerking van de fysieke stromen voor de hand. Dit geldt met name voor de dunne fractie van mest, die mogelijk in een rwzi kan worden gezuiverd tot een loosbaar effluent.
Zuiveringsslib en mest worden beide beschouwd als een afvalproduct, ook in juridische zin. Zolang ook de grondstoffen die hieruit worden gewonnen als afval worden bestempeld, is het vrijwel onmogelijk om deze volledig tot waarde te brengen. De verwerking van mest en zuiveringsslib blijven hierdoor onnodig duur. Op dit punt is aanpassing van wet- en regelgeving noodzakelijk. En tenslotte, om gezamenlijke verwerking van deelstromen uit beide sectoren te bevorderen is een harmonisatie en ontschotting van wet- en regelgeving voor zuiveringsslib en mest vereist. Alleen op deze wijze kan een levensvatbare, duurzame bedrijfstak ontstaan, die niet primair drijft op subsidies of heffingen en een belangrijke bijdrage levert aan de overheidsdoelen op het gebied van de productie van duurzame energie en het hergebruik van eindige grondstoffen.

Literatuur
1.    J.G. de Wilt en O. Schuiling, 2011. Fosfaat in balans. Urgentie en opties voor onderzoek en beleid. SPIL 271-274, p 31-36.
2.   http://www.bemestingsadvies.nl/bemestingsadvies/1-Bemestingsplan/132-Samenstelling%20organische%20meststoffen_%202012.pd
3.    STOWA, “influent fijnzeven in rwzi’s”, Rapportnummer 2010-19, ISBN 978.90.5773.477.9
4.    Melse, R.W, F.E. de Buisonjé, N. Verdoes en H.C. Willers, Quick Scan van be- en verwerkingstechnieken
voor dierlijke mest, november 2004. ASG/PV rapport nummer 1390938000
5.    O.F. Schoumans, W.H. Rulkens, O. Oenema, P.A.I. Ehlert, 2010. Phosphorus recovery from animal manure. Technical opportunities and agro-economical perspectives. Alterra report 2158.
6.    G.L. Velthof, 2011. Synthese van het onderzoek in het kader van de Pilot Mineralenconctraten
Alterra-rapport 2211, Wageningen UR
7.    STOWA, “Synergie rwzi en mestverwerking”, Rapportnummer 2011-10, ISBN 978.90.5773.511.0
8.    Huber, I., 2008. Forschungs- und Entwicklungs-Aktivitäten beim Phosphor-
Recycling, Wasser und Abfall, jrg. 10, Nr.1/2, 2008, seite 11-13
9. Eekert, M. van,  J. Weijma,  N. Verdoes,  F.E. de Buisonje, B.A.H.  Reitsma,  J. van den Bulk, 2012. Explorative research on innovative nitrogen recovery, Rapport STOWA, IS BN 978.90.5773.585.1

(Rectificatie van cijfers tabel 1 en literatuurverwijzing 2 op 6/6/2013)

Download hier een pdf van dit artikel.

Context
Het IJsselmeer en Markermeer hebben een belangrijke functie voor de zoetwatervoorziening van Noord-Holland, Flevoland, Friesland, Groningen, Drenthe en in mindere mate voor Gelderland, Utrecht en Overijssel. In een gemiddeld droge zomer wordt 1,1 miljard m3 aangevoerd naar deze regio’s voor peilbeheer, doorspoeling van het watersysteem, beregening van gewassen en industrie- en drinkwater. Door klimaatverandering neemt de watervraag naar verwachting toe. In het kader van het Deltaprogramma wordt daarom een langetermijnstrategie ontwikkeld voor de veiligheid en zoetwatervoorziening van het IJsselmeergebied. Voor de lange termijn wordt gestreefd naar het zo lang mogelijk vasthouden van het huidige winterpeil. Diverse studies hebben laten zien dat een aanpassing van het winterpeil snel leidt tot een veiligheidsopgave in het totale gebied, hetgeen een forse financiële inspanning zou betekenen. Een aanpassing van het zomerpeil lijkt daarentegen wel kansrijk te zijn. Voor de korte en middellange termijn (tot ca. 2035-2050) gaat het hierbij om beperkte aanpassingen: door flexibilisering van het huidige waterpeil en relatief beperkte aanpassingen aan inlaatwerken kan de beschikbare waterbuffer al worden verviervoudigd van 200 tot 800 miljoen m3. Door het CPB zijn in een kosteneffectiviteit-analyse (KEA) de kosten per extra m3 waterberging berekend voor zowel de korte- als langetermijnstrategieën.

In het komende jaar worden de mogelijke strategieën uitgewerkt in kansrijke strategieën, die moeten leiden tot een deltabeslissing in 2014 over de zoetwatervoorziening en de waterveiligheid van het IJsselmeergebied. Als input hiervoor heeft de IJsselmeergroep, het samenwerkingsverband van waterschappen en RWS in het IJsselmeergebied, de studie Flexibiliteit in regionaal waterbeheer uitgevoerd. De studie brengt in beeld hoe vergroting van de flexibiliteit van de regionale watersystemen in het IJsselmeergebied, een bijdrage kan leveren aan de integrale opgave van het Deltaprogramma. Door de kosteneffectiviteit van maatregelen in het regionale systeem te vergelijken met de berekeningen van de kosten voor het vergroten van de buffer in het IJsselmeer en Markermeer, is onderzocht hoe de maatregelen zich tot elkaar verhouden.

Waterbehoefte
Het studiegebied bestaat grofweg uit het gebied dat door het IJsselmeer van zoetwater wordt voorzien. Het studiegebied is opgedeeld in regio’s (zie afbeelding 1).

Afbeelding 1 Studiegebied en deelgebieden

Huidige situatie
De waterverdeling onder “normale omstandigheden” is geregeld in “waterakkoorden”. De totale maximale levering bedraagt 220 m3/s. Bij watertekort onder extreem droge omstandigheden gelden de waterakkoorden niet langer en treedt de verdringingsreeks in werking. De verdringingsreeks Waterverdeling Noord-Nederland gaat uit van een totale waterbehoefte van het IJsselmeergebied van 369,7 m3/s. Circa 190 m3/s hiervan dient om het IJsselmeer en de Randmeren op peil te houden. De regionale behoefte is ca. 180 m3/s, wat minder is dan in de huidige waterakkoorden is afgesproken. In de huidige situatie bevatten het IJsselmeer en Markermeer voldoende waterbuffer om in een extreem droog jaar te voldoen aan de watervraag van de omringende provincies. Het streefpeil op het IJsselmeer kan in deze omstandigheden echter niet gehandhaafd blijven. Het zakt echter nog niet onder het winterpeil.

Klimaatverandering
Door klimaatverandering zal de waterbeschikbaarheid afnemen en de waterbehoefte toenemen. In de Synthese landelijke en regionale knelpunten (Deltaprogramma Zoetwater) en door het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL, 2012) wordt geconcludeerd dat  bij gematigde klimaatverandering (scenario G/GE) de watertekorten niet groot zijn, zelfs niet in een extreem droog jaar in 2100. Er ontstaan geen echte knelpunten. Bij sterke klimaatverandering (scenario W+/RC) nemen de tekorten echter snel toe. De verwachte toename van de zoetwatervraag onder verschillende klimaatscenario’s is weergegeven in afbeelding 2.

Afbeelding 2 Toename van de watervraag in het IJsselmeergebied bij verschillende klimaatscenario’s in miljoen m3 De scenario’s combineren snelheid van klimaatverandering (G = gematigd, W+ = sterk) met economische ontwikkeling (RC = gematigd, GE = hoog; bij RC is de ruimtedruk gematigd, bij GE hoog). (Bron: PBL, 2012, overgenomen in KEA IJsselmeergebied, CPB).

Maatregelen in het regionale systeem
In een interactief proces met de waterbeheerders in het IJsselmeergebied is berekend in hoeverre maatregelen in het regionale watersysteem kunnen bijdragen aan de zoetwateropgave. In een Charrette zijn met de waterbeheerders maatregelen geselecteerd die kansrijk zijn in het IJsselmeergebied. De maatregelen zijn geselecteerd op basis van haalbaarheid (technisch, maatschappelijk, financieel) en effectiviteit (potentiële bijdrage aan de opgave). Daaruit zijn 11 principemaatregelen naar voren gekomen, variërend van aanpassingen aan de sluizen om de zoutindringing te beperken tot aanpassingen in de landbouw. De maatregelen zijn opgenomen in tabel 1.

Voor de geselecteerde maatregelen zijn op regionaal niveau effectiviteit en kosten doorgerekend. Vervolgens zijn deze gesommeerd naar IJsselmeergebiedniveau. In de maatregelen is onderscheid gemaakt naar maatregelen die het gebruik van IJsselmeer- en Markermeerwater in het gehele zomerhalfjaar beperken, en maatregelen die geschikt zijn om in te zetten om een zeer droge decade te overbruggen (zie tabel 1). Voor de opgave is uitgegaan van de huidige waterbehoefte in een droog jaar. De gemiddelde waterbehoefte in het zomerhalfjaar bedraagt dan 71 m3/s, en 116 m3/s in het droge decade. De onnauwkeurigheid van de resultaten is ca. 25%.

Tabel 1 Effectiviteit van de maatregelen op IJsselmeergebiedniveau

In tabel 2 is de cumulatieve effectiviteit van de geselecteerde maatregelen weergegeven voor een droog jaar. Uit de tabel blijkt dat wanneer alle maatregelen worden uitgevoerd er een maximale besparing op de wateraanvoerbehoefte van 31% gerealiseerd kan worden. In droge perioden loopt dit zelfs op tot ruim 50%. Daarbij is rekening gehouden met het verwijderen van dubbeltelling door overlappende maatregelen.

Tabel 2 Effectiviteit van de maatregelen per regio

Kosteneffectiviteit van maatregelen
Voor de maatregelen in het regionale systeem zijn budgetramingen gemaakt voor aanleg en exploitatie. De budgetramingen hebben een onnauwkeurigheid van ca. 35%. Om een vergelijking mogelijk te maken met de CPB-ramingen voor het vergroten van de buffer in het IJsselmeer en Markermeer, zijn de kosten doorgerekend naar nominale kosten. Hierbij is uitgegaan van jaarlijkse exploitatiekosten die variëren per maatregel. De variatie is 1 tot 5% per jaar. Conform de Kosteneffectiviteitanalyse van het CPB zijn de maatregelen voor drie perioden op nominale waarde gezet:
-    K.T. is korte termijn (de periode 2015-2020)
-    L.T.(W) is lange termijn (2020-2100), warm klimaatscenario, waarbij de maatregelen in 2060 worden ingezet
-    L.T.(G) is lange termijn (2020-2100), gematigd klimaatscenario, waarbij de maatregelen pas in 2080 worden ingezet.
In afbeelding 3 zijn deze nominale kosten van de maatregelen per regio weergegeven. Voor de langetermijnscenario’s liggen de kosten hoger vanwege de langere periode van exploitatiekosten. De kosten zijn teruggerekend alsof ze nu geïnvesteerd zouden moeten worden en er dus geen rente- en inflatievoordelen te behalen zijn. Dit verschilt wezenlijk van een berekening van de Netto Contante Waarde.

Afbeelding 3 Nominale kosten per regio Som exclusief zelfvoorzienende functies en peilgestuurde drainage K.T. = korte termijn (2015-2020). L.T. is lange termijn (2020-2100). W en G staat voor warm en gematigd klimaatscenario. Maatregelen bij sluis IJmuiden voor 20% meegerekend.

Door de kosten van de maatregelen in het regionale systeem te delen door de effectiviteit ontstaat inzicht in de kosteneffectiviteit. Deze berekeningen zijn weergegeven in tabel 4. Hierbij moet worden opgemerkt dat de uitkomst in €/m3 veelal eenmalige investeringen betreft maar dat de regio die m3 elk jaar weer beschikbaar heeft en soms ook meerdere keren per zomerhalfjaar in kan zetten (bijv. flexibel peil, gebruik grondwater).
De kosteneffectiviteit van maatregelen voor het hoofdsysteem is bepaald door het CPB. Het betreft peilmaatregelen voor de waterbuffer in IJsselmeer en Markermeer volgens het DPIJ - zie tabel 3. Het CPB concludeert dat op de korte termijn door het achtereenvolgens optimaliseren en flexibiliseren van het peilbeheer 800 miljoen m3 extra waterbuffer kan worden gerealiseerd, tegen relatief geringe kosten. Voor de lange termijn zijn er verschillende strategieën mogelijk die variëren van meestijgen met zeespiegelstijging tot het plaatsen van pompen op de afsluitdijk. Voor deze strategieën is geen exacte uitkomst gegeven maar een bandbreedte.

Tabel 3 Kosteneffectiviteit van mogelijke strategieën in het hoofdsysteem Uitgewerkt door het CPB

Tabel 4 Nominale investering van maatregelen in het regionale systeem in euro/m³

Tot slot is de (kosten)effectiviteit van maatregelen in het regionale systeem vergeleken met de kosteneffectiviteit van de DPIJ-strategieën voor het hoofdwatersysteem. Deze strategieën zijn voor de korte termijn Optimaliseren en Flexibiliseren en voor de lange termijn Pompen of Meestijgen. Daarbij moet wel worden opgemerkt dat hoewel de kortetermijnstrategieën van het regionale en het hoofdsysteem dezelfde doelstelling hebben, namelijk bijdragen aan de zoetwatervraag, de langetermijnstrategieën primair gericht zijn op het vergroten van de veiligheid.
In tabel 5 is aangegeven welke regionale maatregelen een vergelijkbare kosteneffectiviteit hebben met welke DPIJ-strategie en hoeveel miljoen m3 dit oplevert aan besparing op de wateraanvoerbehoefte. Alle regionale maatregelen zijn in vergelijking met de langetermijnstrategieën kosteneffectief. Op basis hiervan kan een prioritering worden aangebracht.

Tabel 5 Kosteneffectiviteit en besparingspotentieel (in milj.m3) van maatregelen t.o.v. gecorrigeerde CPB KEA getallen

Conclusies
Uit deze studie blijkt dat er kosteneffectieve maatregelen in het regionale watersysteem mogelijk zijn die substantieel kunnen bijdragen aan de integrale opgave van het Deltaprogramma. Ten opzichte van de huidige watervraag in een zomerhalfjaar in een droog jaar, kan met de onderzochte maatregelen op korte termijn 226 miljoen m3 (15/m3/s) en op de lange termijn 350 tot 425 miljoen m3 (23-28 m3/s) worden bijgedragen. Dit is tot ca. 30% van de huidige waterbehoefte in een droge zomer. In pieksituaties, het droge decade wanneer het er op aan komt, loopt de potentiële bijdrage zelfs nog verder op.
De kosteneffectiviteit van de maatregelen in het regionale systeem varieert sterk, van centen tot enkele tientjes per m3. Deze kosteneffectiviteit is vergeleken met de kosteneffectiviteit van maatregelen om de waterbuffer in het IJsselmeer en Markermeer te vergroten. Er is geen rekening gehouden met baten!
Geconcludeerd kan worden dat de kosteneffectiviteit per maatregel qua ordegrootte vergelijkbaar is met de verschillende DPIJ-strategieën. Op basis daarvan is indicatief aangegeven hoe maatregelen in het regionale en centrale systeem zich financieel tot elkaar verhouden, en op welke termijn ze logischerwijs het beste genomen kunnen worden.

Vervolg: strategie op basis van adaptief deltamanagement
Ten behoeve van de strategieontwikkeling is aangesloten op het gedachtegoed van adaptief deltamanagement. Op korte termijn is er weinig noodzaak tot structurele besparingen. Zelfs in droge jaren is er tijdens het zomerhalfjaar nog voldoende water. Voor de korte termijn zijn structurele maatregelen alleen interessant als deze tegen beperkte meerkosten kunnen worden ingezet. Voorbeelden zijn het optimaliseren van sluisbeheer of het verminderen van doorspoeling. Maatregelen waarmee incidenteel een korte droge periode kan worden overbrugd zijn wel interessant om lokale droogteschade te voorkomen, met name in de gebieden die conform de verdringingsreeks snel worden afgekoppeld. Dit kan bijvoorbeeld door tijdelijk toestaan van uitzakken van het peil.
Op de middellange termijn is het interessant om maatregelen te nemen als daarmee grote investeringen vanuit de DPIJ-strategieën naar de toekomst kunnen worden doorgeschoven. Dan komen onder andere technische maatregelen in beeld om de zoutbelasting op de regionale systemen tegen te gaan.
Maatregelen in de landbouw zijn relatief duur en daarom in vergelijking met de CPB-strategieën pas kosteneffectief op lange termijn. Echter, als er in de toekomst daadwerkelijk tekorten optreden zijn deze maatregelen vanuit het oogpunt van bedrijfsvoering wellicht al eerder kosteneffectief omdat er baten als verbeterde oogstopbrengst en verminderd risico tegenover staan.

Afbeelding 4 Bijdrage van flexibiliseren van het regionale watersysteem aan DPU-strategieën

Download hier een pdf van dit artikel.

Proeven met prototypen in het veld

Bij drie waterschappen, te weten Brabantse Delta, Hunze en Aa’s en Regge en Dinkel, zijn prototypen van KAD aangelegd (afbeelding 1). Op de proeflocaties is nauw samengewerkt met de eindgebruikers van het systeem: de waterbeheerders en de agrariërs.

Afbeelding 1. Ligging van de drie proeflocaties voor KAD en betrokken waterschappen

De prototypen zijn in wezen één volledige unit van een geheel KAD-systeem. Een KAD-unit bestaat uit een samengesteld peilgestuurd drainagesysteem (afbeelding 2), een op afstand regelbare drainageput, en de volledige infrastructuur voor telemetrie en dataopslag. De prototypen zijn bovendien uitgerust met een monitoring¬systeem om in detail het functioneren van KAD te onderzoeken en om eindgebruikers inzicht te geven in de werking en de effecten van KAD.

Afbeelding 2. Unit voor Klimaatadaptieve drainage, dwarsdoorsnede van een perceel

Het resultaat van de veldproeven is uitgebreid beschreven in [1]. In het kort luiden de conclusies:
•    KAD werkt goed in de praktijk.
•    Het systeem is robuust.
•    Er zijn enkele technische verbeteringen doorgevoerd, waaronder het toevoegen van een vlotterput. Met deze tussenschakel kan KAD ook in glooiende gebieden worden toegepast; ook kunnen nu drainafvoeren worden gemeten binnen het systeem;
•    Deelnemende agrariërs zijn tevreden over het systeem;
•    Deelnemende waterschappen hebben gezien dat het systeem werkt en effectief is en dat de agrariërs tevreden zijn. Voor implementatie van KAD op gebiedsniveau vragen ze zich af wat de effecten op die schaal zullen zijn en hoe een gecoördineerde regeling van KAD eruit ziet.

Optimalisatie inzet KAD met rekenmodules
De drie prototypen hebben slechts één jaar volledig gefunctioneerd in het veld, hetgeen een korte periode is voor een veldproef onder invloed van het weer. Daarom zijn ook rekenmodules gebruikt om te bepalen hoe de KAD-regelputten optimaal kunnen worden ingezet. We hebben daarvoor steeds een periode van 30 jaar doorgerekend op dagbasis. De rekenmodules geven aan dat een substantiële reductie in piekafvoeren mogelijk is van respectievelijk 12%, 16% en 21%, bij buien die eens in de 10, 25 en 100 jaar voorkomen. Ofwel: hoe groter de herhalingstijd – hoe extremer de bui – hoe groter het effect van KAD.  Afbeelding 3 toont de gegevens over neerslag, grondwaterstand van het perceel en de sturing van KAD voor de locatie Rijsbergen. Hierbij zijn de effecten van de sturing met het SWAP-model uitgerekend (december 2011-juli 2012).

Afbeelding 3.  Resultaten calibratie SWAP-model voor proeflocatie Rijsbergen

Er zijn locatie-specifieke verschillen. Bij Marwijksoord bijvoorbeeld maken de aanwezigheid van ondiepe keileemlagen en wegzijging naar het grondwater KAD minder effectief.
Meer algemeen: als er minder water vastgehouden kan worden, dan is KAD minder effectief voor zowel het waterschap (‘KAD tegen wateroverlast’) als de agrariër (‘KAD voor water voor het gewas’). Bij Marwijksoord is KAD vooral voor de agrariër minder effectief, omdat het grootste deel van het neerslagoverschot meestal ten gunste komt van de aanvulling van het regionale grondwater. Dat het neerslagoverschot niet in het open water belandt is gunstig voor het waterschap (voorkomen wateroverlast elders); de agrariër heeft hier niet zoveel aan.

De effecten van verminderde wateraanvoerbehoefte zijn ook bepaald met de rekenmodules. Gezien de doelstelling van het project is deze analyse wat beperkter. De berekeningen laten zien dat in droge jaren de wateraanvoerbehoefte met maximaal 70 mm/jaar kan worden verminderd. Voor gemiddelde jaren is deze reductie van wateraanvoerbehoefte minder, meestal 30 tot 50 mm/jaar, ongeveer overeenkomend met een à twee beregeningsbeurten.

Deze positieve effecten van KAD zijn te bereiken met een standaard sturing van de KAD-put. Een meer specifieke sturing, per locatie en per neerslaggebeurtenis, laat waarschijnlijk betere effecten zien op piekafvoerreductie en verminderde wateraanvoerbehoefte.

Mogelijke omvang van KAD in Nederland
Landbouwkundige behoefte
We hebben de geschiktheid van KAD als methode voor het beperken van wateroverlast en verdroging ingeschat voor heel Nederland. Uitgangspunten hierbij waren dat er beleidsmatig behoefte is aan bestrijding van wateroverlast, dat bodem en hydrologie toepassing van KAD mogelijk maken en dat er behoefte is aan KAD vanuit de landbouw. Het landbouwareaal in Nederland is ongeveer 1.900.000 ha. Volgens onze analyse heeft 60 à 65% hiervan uit landbouwkundig oogpunt behoefte aan drainage.

Of KAD een geschikte ontwateringsmethode is hangt af van bodem en hydrologie ter plekke. We hebben een aantal factoren benoemd die de geschiktheid negatief beïnvloeden:
-    klei ter hoogte van de drainagebuizen
-    keileem in de ondiepe ondergrond
-    verstopping van drainage door ijzerneerslag
-    wegzijging naar regionale grondwater
-    te geringe drooglegging
Op basis van deze criteria zou ruim de helft (55 à 60%) van het landbouwareaal in Nederland dat behoefte heeft aan drainage, profijt hebben van KAD. Sommige van deze aspecten verdienen nog nader onderzoek.

Als we de landbouwkundige behoefte aan en geschiktheid voor KAD combineren springen een aantal regio’s en gebieden in Nederland eruit, te weten de IJsselmeerpolders, Zuid-Hollandse en Zeeuwse eilanden, de kustgebieden in Friesland en Groningen, delen van het rivierengebied en de beekdalen in de zandgebieden. Ook in diepe droogmakerijen biedt KAD kansen.

Beleidsopgave
De beleidsmatige opgave voor het voorkomen van wateroverlast is door waterbeheerders in Nederland bepaald in het kader van het Nationaal Bestuursakkoord Water (NBW, 2006). Hiervoor zijn onder andere klimaatscenario’s van het KNMI gebruikt. Voor de Klimaatatlas van het KNMI zijn in 2010 landsdekkend uniforme berekeningen uitgevoerd ter bepaling van wateroverlast-kaarten. Deze kaarten kunnen we gebruiken om zoekgebieden te bepalen voor mogelijk geschikte KAD-locaties. Voorbeelden van deze gebieden zijn het rivierengebied, delen van Zeeland, Flevoland, diepe droogmakerijen en beekdalen. Hiermee is een areaal gemoeid van ongeveer 500.000 ha, volgens de Basis Registratie Percelen (BRP) van de Dienst Regelingen overeenkomend met 25 à 30% van het totale landbouwkundig areaal. Natuurlijk zullen aanvullende factoren en criteria de geschiktheid voor KAD negatief kunnen beïnvloeden, en daarmee het areaal verkleinen. Wegzijging naar het regionale grondwater is één van die factoren. Deze factoren zullen naar verwachting het in aanmerking komende areaal reduceren tot 100 à 200.000 ha.

Afbeelding 4. De geschiktheid van klimaatadaptieve drainage voor het voorkomen van wateroverlast en verdroging: combinatie van behoefte aan drainage vanuit de landbouw, geschiktheid van bodem en hydrologie, en aanwezigheid van een beleidsopgave ten aanzien van wateroverlast Voorbeeld voor Provincie Zeeland.

Juridisch-bestuurlijke aspecten
Er zijn drie scenario’s denkbaar voor de aanleg en het beheer van KAD:
I.   De overheid, i.c. het waterschap, doet alles zelf uit eigenbelang;
II.  De overheid, i.c. het waterschap, en de agrariër als private partij, werken samen omdat beide belang hebben bij optimaal waterbeheer;
III. De agrariër als private partij doet alles zelf uit eigenbelang.

Ad I. Waterschap
Het waterschap is initiatiefnemer. Publiekrecht is van toepassing op KAD als het waterschap het KAD-systeem zelf aanlegt op agrarische bedrijven. Het waterschap vestigt opstalrecht op de drainage en de apparatuur. KAD is dan een ‘waterstaatswerk’ en komt in de legger terecht. Er hoeft geen vergunning afgegeven te worden en het waterschap kan alle gebruikelijke juridische instrumenten inzetten ten aanzien van beheer en onderhoud van KAD. Met de agrariër in kwestie worden schaderegelingen opgesteld voor het geval er aanwijsbaar schade optreedt aan bodem en gewas onder invloed van KAD. Als het waterschap initiatief neemt tot de aanleg van KAD en dit verder uitvoert in nauwe samenwerking met de agrariër, hoeft dat niet per se te leiden tot een publiekrechtelijk spoor. Scenario II kan dan gaan gelden.

Ad II. Waterschap met agrariër
Waterschap en agrariër werken samen bij aanleg, beheer en onderhoud van KAD-systemen. Deze samenwerking begint met een contract of een intentieverklaring. Het is niet van belang wie de initiatiefnemer is. Als KAD eenmaal aangelegd is moet er voor beheer en onderhoud gekozen worden voor ofwel een publiekrechtelijke route, ofwel een privaatrechtelijke. De eerste loopt via een vergunningstraject, eventueel een meldingsplicht, waarbij het waterschap bevoegd gezag is dat toetst en handhaaft. De privaatrechtelijke route loopt via een overeenkomst, waarbij afspraken worden gemaakt over het beheer en eventuele vergoedingen. Met de agrariër in kwestie wordt onder andere een schaderegeling opgesteld voor het geval dat er door KAD aanwijsbare schade optreedt aan bodem of gewas. Nadeel van een overeenkomst is dat deze niet op elk gewenst moment afdwingbaar is. Als een partij zich niet aan de afspraken houdt, kan er alleen na tussenkomst van de rechter tot actie worden overgegaan. Als bijvoorbeeld snelle inzet van KAD nodig is ter voorkoming of reductie van een piekafvoer kan het waterschap niet onmiddellijk bestuursdwang toepassen als de agrariër in kwestie geen medewerking verleent. Dit leidt tot vertraging, die bij dreiging van wateroverlast ongewenst is. Wel kunnen achteraf sancties van kracht worden die van tevoren afgesproken zijn in de overeenkomst.

Ad III. Agrariër
De agrariër neemt het initiatief tot de aanleg van KAD. Zodra er sprake is van een uitmonding op oppervlaktewater zal hij bij het waterschap om een vergunning moeten vragen. De agrariër bepaalt aan de hand van de vergunningsvoorwaarden het beheer en onderhoud van KAD, het waterschap is bevoegd gezag en kan de naleving van de regels handhaven. Deze regels moeten helder zijn in termen van hoe te sturen onder welke condities, terwille van de rechtszekerheid.

Scenario II kan het beheer via het privaatrecht of via het publiekrecht geregeld worden. Scenario’s I en III worden altijd publiekrechtelijk uitgewerkt. Het waterschap kan dan bestuursdwang toepassen inzake het beheer van KAD. Voor elk scenario geldt dat rechtszekerheid geboden moet worden aan de deelnemende partijen en dat er geen doorkruising van (andere) publiekrechtelijke bepalingen mag plaatsvinden. Aan de drie scenario’s zijn diverse plus- en minpunten verbonden. We hebben in de onderstaande tabellen 1 en 2 een kwalitatieve score gemaakt. Score ++ geeft aan dat er een grote kans is dat inzet van KAD functioneel is, dat verantwoordelijkheden zeer helder zijn, dat de kosten-effectiviteit hoog is en dat maatwerk optimaal bij de gebruiker past.
Een voorbeeld. Tabel 1 geeft scores voor ‘Functionaliteit t.a.v. reductie wateroverlast’ voor alle drie de scenario’s. Scenario I: waterschap is aan zet, is enige gebruiker, doet precies wat het waterschap zelf wil, op elk moment (++). Scenario II: waterschap en agrariër werken samen, overeenkomsten zijn gesloten, maar er zijn bepaalde momenten waarop het beheer van het KAD-systeem in de praktijk tot discussies leidt tussen de twee beheerders. Op dat moment kan het minder functioneel zijn ter reductie van wateroverlast (+). Scenario III: de agrariër bepaalt zelf of hij het KAD-systeem ook en ook altijd maximaal tegen wateroverlast inzet. Hij kan daarvan afwijken, want hij heeft een vergunning voor een drainagesysteem, hij is de enige beheerder ervan (0).

Tabel 1. Kwalitatieve toetsing van KAD vanuit het perspectief van de waterbeheerder voor drie scenario’s I = eenzijdig initiatief waterschap, II = privaatrechtelijke samenwerking waterschap en agrariër, III = eenzijdig initiatief agrariër

KAD kan juridisch geregeld worden zonder nieuwe wetgeving, op basis van bestaande instrumenten. Het onderscheid tussen publiekrecht en privaatrecht is wezenlijk. Ook belangrijk is de mate van acute afdwingbaarheid van de sturing van KAD.

Uit gesprekken met onder andere de Unie van Waterschappen en LTO komt naar voren dat het waterschap  garantie wil op inzet (‘altijd en optimaal’) van KAD tegen wateroverlast. De agrariër wil zoveel mogelijk vrijheid van handelen. Ergens komen beide belangen bij elkaar. Om dat te laten functioneren is een goede samenwerking en een goede regeling nodig, inclusief een goede schaderegeling. LTO geeft aan goede resultaten te verwachten van samenwerking op basis van vertrouwen en als resultaat van een gebiedsproces.
Kosten-baten-analyse en financiering
Een kosten-baten-analyse (KBA) voor KAD onder de huidige klimatologische omstandigheden is uitgevoerd door te kijken naar de kosten van KAD en de baten voor waterbeheer en landbouw. Voor de landbouw is onderscheid gemaakt tussen melkveehouderij, akkerbouw en vollegrondstuinbouw. Er is gewerkt volgens de netto-contante-waarde (NCW)-methodiek met een discontovoet van 4% en een afschrijvingstermijn van vijftien jaar. Kostenbesparingen voor de waterbeheerder zijn als baten meegenomen. Hieronder vallen:
−    minder kosten voor aanleg van gebieden voor waterberging;
−    minder grote investeringen in en minder exploitatiekosten van gemalen;
−    minder kosten voor verbreding van watergangen naar waterberging en/of gemalen;
−    minder kosten voor wateraanvoer;
−    minder kosten ter bestrijding van verdroging.
De resutaten van de KBA zijn weergegeven in Tabel 3. We hebben geen kostenverlagingen voor waterbeheer meegenomen die voortvloeien uit verbetering van de chemische samenstelling van drainage-, grond- en oppervlaktewater. Worden deze wel meegenomen, dan valt de kosten-baten-analyse gunstiger uit.

Tabel 3. Kosten-baten-analyse van KAD bij huidig klimaat: gemiddelde netto contante waarde (NCW) op jaarbasis (baten minus kosten) Bedragen in euro’s per hectare per jaar bij een KAD-systeem voor 10 ha, een afschrijvingstermijn van 15 jaar en discontovoet van 4%. Niet meegenomen zijn baten ten gevolge van verminderde belasting van oppervlaktewater met verontreinigende stoffen [3,4] en van sub-irrigatie.

KAD heet niet voor niets KAD: klimaatadaptatief drainagebeheer. Het systeem biedt de kans om snel en effectief in te grijpen in de ontwateringstoestand van percelen. Daarmee kunnen waterschap en agrariër beter dan met andere systemen anticiperen op het weer. Uit de berekeningen blijkt dat eenmaal per jaar tijdens een piekafvoer 7 mm/dag wordt vastgehouden en dat tenminste één beregeningsbeurt van 30 mm wordt uitgespaard. Als in de toekomst meer dan eenmaal per jaar 7 mm wordt vastgehouden, of dat tijdens een piek meer dan 7 mm/dag wordt vastgehouden, dan nemen de baten verder toe. Voor een extra retentie van 1 mm/dag zijn de extra baten € 37/ha per jaar. Als er in meer dan één droogteperiode 30 mm beregening wordt uitgespaard nemen de baten ook verder toe.

Tabel 4. Kosten-baten-analyse van KAD bij huidig klimaat en toekomstig klimaat: gemiddelde netto contante waarden (NCW) op jaarbasis (baten minus kosten) Bedragen in euro’s per hectare per jaar bij een KAD-systeem voor 10 hectare, een afschrijvingstermijn van 15 jaar en een discontovoet van 4%. Niet meegenomen zijn baten ten gevolge van verminderde belasting van oppervlaktewater met verontreinigende stoffen en van sub-irrigatie. Areaal grasland : akkerbouw : vollegrondstuinbouw= 10 : 5 : 0,5.

Uit de KBA kunnen we concluderen dat het systeem een positief financieel resultaat oplevert voor waterbeheer én landbouw. Investeren in KAD is dus de moeite waard. Zeker wanneer we in ogenschouw nemen dat
−    de kosten realistisch zijn ingeschat en de baten conservatief;
−    aspecten van waterkwaliteit en sub-irrigatie niet zijn meegenomen.

Het ziet ernaar uit dat aanleg van KAD zichzelf terugverdient. Omdat de methode ook bovenwettelijke doelen kan dienen lijkt het toch verstandig om KAD ook te beschouwen als groenblauwe dienst en op te nemen in de Catalogus groenblauwe diensten van het Interprovinciaal Overleg en de Dienst Landelijk Gebied van het ministerie van Economische Zaken.
Ook kan KAD als investeringsmaatregel aangemeld worden in het kader van de Milieulijst in de MIA/Vamil regeling 2013 (F7062: Grondwaterpeilgestuurde Drainage).

KAD: ook voor natuur
Peilgestuurde drainage kan positieve effecten hebben voor de landbouw en voor natte natuur in een zone rondom natuurgebieden. Beter nog is de innovatieve KAD-techniek in te zetten, met een geschikt en op maat gesneden ontwerp en sturing van het systeem. Er zijn tenminste drie redenen hiervoor aan te dragen:
1.  Met KAD kun je op het scherpst van de snede in ruimte en tijd sturing geven aan de waterhuishouding van percelen.
2. Er zijn altijd tenminste twee partijen die deelnemen aan KAD (waterschap, agrariër), wellicht een derde in het geval van natte natuur (terreinbeheerder). Daarmee is de sturing van KAD een resultaat van overleg en afspraken over te behalen doelen, voor het KAD-perceel én zijn omgeving.
3. Monitoring van het beheer van KAD (wie stuurt hoe en wanneer) en de effecten ervan op de waterhuishouding (bijvoorbeeld bodemvocht, grondwaterstand, drainafvoer) is online beschikbaar en volledig transparant. Daarmee kunnen alle betrokken partijen te allen tijde zien hoe de sturingsregels nageleefd worden.

Ontwerp, aanleg én sturing van het systeem op landbouwgrond naast natte natuur bepalen de effecten op de waterhuishouding. Met het systeem kunnen we netto hogere grondwaterstanden realiseren op landbouwpercelen, ten gunste van natuur. Zeker als we het systeem combineren met maatregelen in het oppervlaktewatersysteem. Een gecoördineerde gebiedsregeling met afspraken tussen waterbeheerder, landbouw en natuur biedt mogelijkheden, vorm te geven in bijvoorbeeld een gebiedsproces.

Discussie
In H2O nr. 3 van maart jl. (pp. 36-37) wordt gemeld dat “aanleg van peilgestuurde drainage verdrogend werkt op nabijgelegen natuurgebieden” [5]. Deze uitspraak kan ertoe leiden dat spreekwoordelijk het kind met het badwater wordt weggegooid. Het is zonde van de potenties van de techniek om regelbare drainage te betitelen als ‘verdrogend’, hoewel er inderdaad situaties zijn waar drainage afbreuk kan doen aan anti-verdrogingsmaatregelen. Dat kan namelijk het gevolg zijn van niet goed ontworpen of ingeregelde systemen, van een ‘verkeerd’ beheer en/of gebrekkige afspraken over dat beheer. Verder ontbreken in de praktijk vaak gegevens voor een gecontroleerd beheer van het systeem.
Het is een correcte aanbeveling om rondom natte natuur ook maatregelen in het open water te treffen, zodat het postieve effect van een goed ingeregeld KAD-systeem overeind blijft. Het mag niet zo zijn dat te veel grondwater wordt gedraineerd en via het open-water-systeem afgevoerd, terwijl bijvoorbeeld met een KAD-systeem geprobeerd wordt water op het perceel juist vast te houden.
We pleiten ervoor met betrokken partijen en in nauwe samenwerking met landbouw, natuur en waterbeheer, actief na te gaan in de praktijk wat een goed ontworpen KAD-systeem, dat aangestuurd wordt met zowel landbouwkundige als natuurdoelen op de achtergrond, kan doen voor een gebied. Een geschikte weg om samen met water- en natuurbeheerders in te slaan is een grootschalige veldproef met klimaatadaptieve drainage in te richten rondom natte natuur, met van tevoren goed doordacht ontwerp en beheer, inclusief transparante monitoring. Grootschaligheid in die zin dat aaneengesloten blokken van 15 à 20 KAD-percelen in samenhang bediend en aangestuurd worden. Hiervoor is een gebiedsregeling nodig, plus sturing op basis van weersverwachtingen van een aantal dagen vooruit. Daarnaast moet een aanpassing van het oppervlaktewatersysteem onderdeel van de proef zijn. Discussies op 12 maart jl. bij het KRW-event in Den Bosch, georganiseerd door het ministerie van I&M en AgentschapNL, en tijdens de Deltaproofdag in Amersfoort op 14 maart jl., georganiseerd door STOWA [6], dragen bij aan een totstandkoming van zo’n veldproef (6). Ook het Deltaplan Agrarisch Waterbeheer van LTO [7] maakt gewag van peilgestuurde drainage, waarbij met KAD op het scherpst van de snede gestuurd kan worden en landbouw kan samengaan met naastgelegen natte natuur.

Website van het project: www.futurewater.nl/kad

Referenties

1.    Van den Eertwegh, G.A.P.H., et al., 2013: KlimaatAdaptieve Drainage: een innovatieve methode om piekafvoeren en watertekorten te verminderen. Samenvatting resultaten Fase 2 ‘Onderzoek en Ontwikkeling’ Referentienummer SBIR113008. Februari 2013. FutureWater rapport nr. 123.
2.    Droogers, P. et al. (2010). KlimaatAdaptieve Drainage, een innovatieve methode om piekafvoeren en watertekorten te verminderen. Eindrapportage haalbaarheidsonderzoek fase 1. FutureWater rapport nr. 96.
3.    Rozemeijer, J.C. et al. (2012). Veldonderzoek naar de effecten van peilgestuurde drainage op grondwaterstanden, drainafvoeren en waterkwaliteit op het Oost-Nederlands Plateau. Deltares rapport 1201979-000-BGS-0001 Utrecht.
4.    Stuyt, L. et al. (2009). Samengestelde, Peilgestuurde Drainage in Nederland – Voortgangsrapport 1. Projectcode: 5235044. Alterra-WUR.
5.    Kuijper, M.J.M., Broers, H.P.  en Rozemeijer, J.C., (2012). Effecten van peilgestuurde drainage op natuur. Deltares rapport 1206925-000, 2012.
6.    STOWA (2013). Deltaproof Midterm Review.
7.    LTO (2013). Deltaplan Agrarisch Waterbeheer.

Download hier een pdf van dit artikel.

In 1995 startte Rijkswaterstaat op twee plaatsen op Ameland een proef met dynamisch kustbeheer. Twee stukken van de zeereep, één op Oost-Ameland en één op West-Ameland werden niet langer onderhouden door de aanplant van helm en het plaatsen van stuifschermen. In opdracht van Rijkswaterstaat heeft Natuurcentrum Ameland de gevolgen van dit ‘dynamisch kustbeheer’ zowel op Oost- als op West-Ameland in kaart gebracht. Dit artikel beschrijft vijftien jaar monitoring op West-Ameland en de belangrijkste conclusies die volgen uit een analyse van deze unieke reeks gegevens.

Wat is dynamisch kustbeheer?
Dynamisch kustbeheer kan worden omschreven als het zodanig beheren van delen van de kust dat verstuiving van zand of de overstroming door de zee worden gestimuleerd. Achterliggende gedachte is dat stuivend zand en/of zout water de variatie in het landschap vergroten en de vegetatie verjongen. Dat draagt bij aan de diversiteit in flora en fauna. Bovendien worden de duinen door het zandtransport hoger en kunnen ze zo langzaam meegroeien met de stijgende zeespiegel.
Het beleid rond dynamisch kustbeheer vindt zijn oorsprong in de eerste kustnota uit 1990 en was gekoppeld aan de keuze van de regering om de kustlijn op zijn plek te gaan houden door middel van zandsuppleties. Door deze ‘slijtlaag’ van zand op het strand en in de ondiepe zee, was het voor de veiligheid niet overal meer nodig om een hoge, dijkachtige zeereep in stand te houden. Later uitgekomen kustnota’s bevestigden het beleid van dynamisch kustbeheer; ook het Deltaprogramma Kust verkent dynamisch kustbeheer als mogelijke strategie voor een veilige en mooie kust in de toekomst (1).
Inmiddels worden steeds meer delen van de kust dynamisch beheerd. Hoe dat beheer er in de praktijk uitziet, verschilt van plek tot plek. Op sommige plekken laten beheerders helmaanplant en stuifschermen in de buitenste duinenrij (de zeereep) achterwege, om kleinschalige verstuiving te stimuleren. Op andere plekken graven bulldozers kuilen en kerven in de zeereep, met verstuiving op grotere schaal tot doel. Voorbeeld hiervan is het project Noordvoort, ten zuiden van Zandvoort. Begin 2013 is daar een begin gemaakt met het afplaggen van vegetatie en de aanleg van stuifkuilen, om de dynamiek van de zeereep te herstellen (2).

Dynamisch kustbeheer op Ameland
Waar dynamisch kustbeheer op veel plekken pas recent wordt toegepast of nog in de planfase is, zijn er ook kustdelen die al langer dynamisch worden beheerd. Langs de kust van Ameland startte Rijkswaterstaat al in 1995 twee experimenten met dynamisch kustbeheer. Op Oost-Ameland volgde Natuurcentrum Ameland de ontwikkelingen tussen 1995 en 2002. Deze gegevens werden in 2006 geëvalueerd (zie kader verderop in dit artikel). In het tweede proefgebied, in het westelijk deel van Ameland, duurt de monitoring tot op heden voort (3). Dit artikel focust op het experiment op West-Ameland.

Afbeelding 1. Het proefgebied op Ameland West tussen km 3 en 4.6

Beschrijving proefgebied West-Ameland
De proef op West-Ameland vindt plaats in de zeereep tussen kilometerpaal 3 en 4.6, op de grens tussen de Noordzee en vallei de Lange Duinen Noord. Deze vallei ontstond rond 1962, toen door de aanleg van een stuifdijk de toenmalige strandvlakte werd afgesloten van de zee. De strandvlakte veranderde in een moeras, dat in de loop der tijd verruigde met Riet en struiken. Ter hoogte van paal 4 en 4.4 ontstonden twee openingen in de zeereep, waar bij stormtijen regelmatig zeewater door naar binnen kon dringen.
In het gebied spelen nog enkele andere ontwikkelingen die relevant zijn voor het verloop van het experiment. Het gaat daarbij onder meer om de aanlanding van de zandplaat ‘Bornrif’, en de migratie van deze plaat in oostelijke richting (afbeelding 2). Aanvankelijk zorgde het Bornrif voor spectaculaire kustaangroei aan de noordwestpunt van Ameland en de vorming van een groen strand, maar aan de ‘achterzijde’ van de migrerende plaat trad en treedt erosie op. Om deze kustachteruitgang tegen te gaan, is er de afgelopen 20 jaar verschillende keren zand gesuppleerd. Binnen het experimentgebied, tussen km 3 en 3.4, werd er in 1997 en 2004 een strandsuppletie uitgevoerd en in 2007 een gecombineerde vooroever-/strandsuppletie. Verder werd er in 2010/2011 tussen km 1 en 4 maar liefst 2,5 miljoen m3 zand op het strand neergelegd!
Zowel de aanlanding van de zandplaat als de suppleties hebben veel invloed gehad op de beschikbare hoeveelheid zand die door de wind richting het achterland kon verstuiven.

Afbeelding 2. Aanlanding van het Bornrif (4)

Monitoring van dynamisch kustbeheer
De verwachting van het experiment was dat er door het staken van het onderhoud meer kuilen in de zeereep zouden ontstaan, waardoor de wind het kalkrijke strandzand naar het achterliggende rietmoeras kon blazen. Dit zou leiden tot verjonging van de vegetatie. Ook verwachtten de beheerders dat de zee vaker het rietmoeras zou binnendringen. Daardoor zouden zich aan brakke omstandigheden gebonden pioniervegetaties kunnen vestigen. Tegelijkertijd vreesde men dat het dynamisch kustbeheer de veiligheid zou aantasten en dat een groot deel van het rietmoeras verloren zou gaan. Daarom stelden de betrokken organisaties vast tot hoever deze ontwikkelingen mochten gaan. Belangrijke randvoorwaarde was dat de zeereep zich niet meer dan 50 meter landwaarts mocht verplaatsen. Bovendien zou de proef worden gestaakt als meer dan een kwart van het rietmoeras zou dreigen te veranderen in een vrijwel onbegroeide zandplaat (5) of als er nadelige effecten op zouden treden voor de drinkwaterwinning of het recreatiestrand (6).
Om eventuele knelpunten tijdig te signaleren en om kennis te ontwikkelen, volgt Natuurcentrum Ameland in opdracht van Rijkswaterstaat jaarlijks de ontwikkelingen. Deze monitoring focust zich op de zeereep (tabel 1). Daarnaast rapporteren het Natuurcentrum en Vogelwacht Hollum-Ballum regelmatig over de effecten van het dynamisch beheer op de flora en fauna van het rietmoeras (7 en 8). De resultaten daarvan komen in dit artikel zijdelings aan bod.

Tabel 1. Monitoringprogramma zeereep West-Ameland

Resultaten

Dynamiek in de zeereep
Uit foto’s van het aanzicht van de zeereep blijkt dat de zeereep van karakter is veranderd sinds het onderhoud in 1995 werd gestaakt. De zeereep is grilliger geworden met meer afwisseling tussen kale plekken en vegetatie. Daarbij is het westelijk deel van het proefgebied het meest dynamisch; hier zijn in de loop der jaren stuifplekken ontstaan van enkele meters doorsnede en steile erosieranden tot bijna vier meter hoog. Door de erosie werd het strand steeds smaller. Daarom werd er in 2004 en 2007 zand gesuppleerd.
Verder naar het oosten stuift er iets minder zand. Aanvankelijk had de zeereep ook hier een steile helling richting het strand, maar de laatste jaren ontwikkelen zich jonge duintjes aan de voet van de zeereep. Ook is het strand hier hoger geworden. De twee ‘doorbraken’ in de zeereep bij paal 4.2 en 4.4 zijn inmiddels zo hoog komen te liggen dat er zelfs bij extreem hoog water nauwelijks zeewater het moeras binnenstroomt. Overigens wordt één van de openingen elk voorjaar tot een bepaald peil verlaagd, zodat overtollig water uit het rietmoeras kan afstromen.

Afbeelding 3. Aanzicht van de zeereep, juli 2012, vanaf paal 3.5 in oostelijke richting
Links ligt het strand en rechts het rietmoeras. Op de foto is te zien dat de zeereep hoog is en aan de achterzijde dicht is begroeid. Vanuit het achterland rukken de duindoornstruiken op. Alleen op de top van de zeereep en aan de zeewaartse zijde liggen plekken kaal zand.

Het merendeel van het zand dat vanaf het strand landinwaarts waait, accumuleert aan de voorzijde of op de top van de zeereep; de top blijft daarom vrijwel op dezelfde plek liggen. Uit metingen van de breedte van de zeereep blijkt dat er slechts weinig zand over de zeereep heen stuift naar het gebied daarachter (afbeelding 4). Het zand dat over de top heen stoof, was aanvankelijk te herkennen aan een strook met groene helmplanten. Vers zand zorgt er namelijk voor dat schimmels en aaltjes het wortelstelsel van helmplanten niet kunnen aantasten, waardoor de helm vitaler is en minder snel geel wordt. Maar op veel plekken is deze zone nu niet meer goed herkenbaar door het snelle dichtgroeien van de open plekken aan de achterzijde van de zeereep, onder meer met de snel oprukkende duindoorn.
Alleen op sommige plekken op de oever van het achterliggende rietmoeras, bijvoorbeeld ter hoogte van km 3.5, is een laagje vers kalkrijk stuifzand te zien. Ook langs het pad dat achter de zeereep loopt is een smal strookje stuivend zand te zien. Deze plekken kunnen mogelijk nieuwe kansen bieden voor pioniervegetaties van kalkrijke bodems. De overstuiving is echter absoluut niet van dien aard dat het rietmoeras erdoor wordt bedreigd.

Afbeelding 4. Breedte van de zeereep ter hoogte van paal 3.5
De sterretjes geven de ligging van de top van de zeereep weer. Rechts ligt het strand, links ligt het rietmoeras. Duidelijk is te zien dat in de loop der jaren duindoorn vanuit het achterland oprukt en dat de zone met vitale helmbegroeiing (en stuivend zand) smaller wordt.

Volume zand in de zeereep
Ook uit de jaarlijkse hoogtemetingen die Rijkswaterstaat uitvoert en uit onderzoek van Arens (9) blijkt dat de zeereep van West-Ameland tussen 1995 en 2012 hoger en breder is geworden (afbeelding 5), ondanks dynamisch kustbeheer. Volgens Arens is de zandbalans van de zeereep er positief: elk jaar neemt het volume met gemiddeld 5 m3 zand per strekkende meter toe. Deze volumetoename blijkt ook uit afbeelding 6. Hierin is duidelijk te zien dat er in 1995 een ‘trendbreuk’ optrad in de aangroei van de zeereep. Dit hangt waarschijnlijk mede samen met de ontwikkeling van de strandhaak en met (lokale) veranderingen in de breedte en hoogte van het droge strand. Omdat de eerste strandsuppletie pas in 1997 werd neergelegd, kunnen suppleties geen verklaring zijn voor de volumetoename.

Afbeelding 5. Typerend dwarsprofiel voor West-Ameland
Sinds 1995 is de top van de zeereep meer dan twee keer zo hoog geworden. Op de horizontale as staat de afstand tot de strandpalen die om de 250 meter op het strand staan. De lijn waarlangs deze palen staan wordt de ´Rijksstrandpalenlijn´ (RSP-lijn) genoemd (9).

Afbeelding 6. Volumetoename van de zeereep tussen km 3 en 5
Duidelijk is te zien dat hierin in 1995 een ‘trendbreuk’ plaatsvond. Vanaf 2006 neemt het volume tussen km 3 en 3.2 weer af, door erosie (9).

Vegetatie zeereep
Uit de vegetatieopnamen blijkt dat het aantal soorten in het onderzoeksgebied varieert tussen de 40 en 50 en in de loop der tijd ongeveer gelijk is gebleven. Er zijn wel verschuivingen opgetreden. Tabel 2 geeft weer welke soorten duidelijk afgenomen dan wel toegenomen zijn. De uitbreiding van soorten als Biestarwegras, Strandkweek en Zandhaver hangt samen met de ontwikkeling van een pionierzone in de primaire duinen aan de zeezijde van de zeereep. Daarbij valt op dat de overige soorten van de zeereep die toenamen, juist goed gedijen onder stabiele omstandigheden en dat de soorten die afnamen juist baat hebben bij een meer open bodem en instuivend zand. Dit duidt erop dat de dynamiek is afgenomen.
Daarbij geldt overigens dat veel soorten ook weer niet tegen té dynamische omstandigheden kunnen. Vegetatieopnamen laten bijvoorbeeld zien dat de soortenrijkdom het laagst is in het westelijk deel van de zeereep, waar het meeste zand stuift. De situatie is daar te dynamisch voor de vestiging van soorten zoals Loogkruid en Zeepostelein. In oostelijke richting neemt de dynamiek af en neemt het aantal soorten geleidelijk toe.

Tabel 2. Plantensoorten (in alfabetische volgorde) die duidelijk zijn toegenomen of afgenomen in de zeereep

Het meest opvallend is dat duindoorn vanuit het achterliggende duingebied richting zeereep oprukt en helmplanten ‘wegdrukt’. Zelfs in het westelijk deel, waar relatief veel zand verstuift, ontwikkelen de duindoornplanten zich tot een ondoordringbaar struweel. Deze uitbreiding van duindoornstruiken is ook te zien op de systematisch gemaakte foto’s van het aanzicht van de zeereep.
Het dynamisch beheer heeft er dan ook niet toe geleid dat het areaal van het beschermde habitattype ‘Witte duinen’ is toegenomen.

Vegetatie landwaarts van de zeereep
In de moerasvegetatie komen soorten voor uit de Rietklasse en de Klasse der kleine zeggen. In het westelijk deel is de rijkdom aan soorten en de samenstelling tussen 2007 en 2011 niet structureel veranderd (7). In het oostelijk deel is duidelijk te zien dat de invloed van de zee begin deze eeuw afnam en de vegetatie verruigde. Duindoorn, Kruipwilg en wilgen rukten op ten koste van kleine, relatief zeldzame soorten zoals Knopbies, Parnassia, Moeraswespenorchis, Groenknolorchis, Strandduizendguldenkruid, Geelhartje, Sierlijke vetmuur en Fraai duizendguldenkruid. Deze soorten waren in 2007 goeddeels verdwenen. Om de kansen voor deze soorten te vergroten, heeft Rijkswaterstaat in 2007 veel struiken verwijderd; daardoor neemt de soortenrijkdom weer toe.
Het dynamisch kustbeheer lijkt niet te hebben geleid tot belangrijke veranderingen.

Broedvogels
Uit monitoring blijkt dat het aantal soorten en territoria sinds 1998 behoorlijk is afgenomen. Sinds 2008 zet de afname niet verder door; in 2011 broedden er 50 soorten vogels, waarvan 8 soorten van de Rode Lijst. De afname is deels het gevolg van het oprukken van struweel, maar de oorzaken kunnen ook buiten de Lange Duinen liggen. Want ook landelijk gezien vertoonde het aantal soorten broedvogels een dalende trend.
Ondanks de verruiging van de vegetatie zijn de Lange Duinen nog steeds erg belangrijk voor moerasvogels. De belangrijkste soort is wellicht de Roerdomp met jaarlijks 5-6 broedparen.

Afbeelding 7. Aantalontwikkeling van de broedvogels in Lange Duinen Noord (8)

Conclusies
De monitoringresultaten van Ameland laten in de eerste plaats zien dat de angst dat door het dynamisch kustbeheer de veiligheid zou worden aangetast ongegrond is. Mede door aanlanding van het Bornrif en de zandsuppleties is de zeereep sterk aangegroeid en hoger en breder geworden.
Ook het oppervlak van het rietmoeras is niet afgenomen door dynamisch kustbeheer; de zeereep is niet ´naar binnen gewandeld´.
In de tweede plaats blijkt dat dynamisch kustbeheer maar voor een klein deel de gevolgen heeft gehad die werden verwacht. Er stuift weliswaar meer zand naar de zeereep en de zeereep is minder ‘strak’ van vorm dan voorheen, maar het stuivende zand heeft niet geleid tot verjonging van vegetatie. De duindoornvegetatie rukt juist op richting zeereep. Het aantal soorten in de zeereep is globaal gelijk gebleven, maar het aantal soorten van stabiele situaties neemt toe ten koste van de ‘dynamische’ soorten.
Verder is, in tegenstelling tot de verwachting, het zeewater niet vaker door de huidige twee openingen in de zeereep gestroomd. Integendeel: er stroomt zelfs bij extreem hoog water nauwelijks zout water het rietmoeras binnen. Daardoor zijn de groeiomstandigheden voor een aantal zeldzame soorten die juist op de rand van ingespoeld kalkrijk zand groeien (waaronder de Groenknolorchis), suboptimaal (Krol, 2012).
Qua broedvogels heeft de invoering van dynamisch kustbeheer geen grote gevolgen gehad. Integendeel, de inspoeling van zout water is afgenomen en de vegetatie verruigt en verbost. De diversiteit aan broedvogels neemt af evenals de aantallen territoria. Wel blijft het gebied zeer waardevol voor broedvogels met enkele parels zoals jaarlijks 5 -6 paren van de Roerdomp.

Tot slot
De resultaten laten zien dat op West-Ameland het achterwege laten van zeereeponderhoud er nauwelijks toe leidt dat wind en zee zand vanaf het strand naar het rietmoeras vervoeren. Om de dynamiek van wind en/of zee echt te vergroten, verdient het aanbeveling om te experimenteren met  verdergaande ingrepen. Dat kan bijvoorbeeld door het verwijderen van vegetatie of het graven van windsleuven. Uiteraard moeten de effecten op veiligheid, flora, fauna en andere belangen vooraf zorgvuldig worden verkend, en vervolgens goed worden gemonitord.

Literatuur
1. STOWA, 2010. Hoe verder met dynamisch kustbeheer? Rapport 2010-W05.

2. www.waternet.nl/noordvoort , januari 20133.

3. Krol, J. 1996 t/m 2012. Monitoring dynamisch kustbeheer Ameland. Jaarlijkse rapportage van Natuurcentrum Ameland (met uitzondering van de jaren 2003 en  2010).

4. Löffler, M. e.a., 2008. Eilanden Natuurlijk. Uitgave van Het Tij Geleerd.
5.  Provinciaal Overlegorgaan Kust Friesland, projectgroep Ameland-west 1997. Een advies over het beheer van de kustzone tot paal 7 op Ameland.
6.  Arens. S., M. Löffler & E. Nuijen 2007. Evaluatie dynamisch kustbeheer Friese Waddeneilanden.
7.  Krol, J. 2012. Monitoring natuurwaarden Lange Duinen-Noord in relatie met natuurlijke dynamiek van de zeereep, seizoen 2011. Natuurcentrum Ameland, Rijkswaterstaat.
8.  Vogelwacht Hollum-Ballum 2011.Monitoring en broedvogelinventarisatie verslag Lange Duinen Noord.
9.  Arens, S. , S. van Puijvelde & C. Brière 2010. Effecten van suppleties op duinontwikkeling; rapportage geomorfologie.
10.  Krol, J. 2006. Monitoring dynamisch kustbeheer Ameland-Oost. Evaluatieverslag 1995-2002. Natuurcentrum Ameland.
11.  Jong, B. de, P.A. Slim, M. Riksen & J. Krol 2012. Ontwikkeling van de zeereep onder dynamisch kustbeheer op Oost-Ameland. Onderzoek naar de bijdrage van kustbeheer op kustveiligheid. Alterra-rapport 2152.

Download hier een pdf van dit artikel.

Hierbij bepaalt de (hogere) biogasproductie en dus hogere afbraak per ton slib bij thermofiele slibgisting de economische haalbaarheid van thermofiele slibgisting in Nederland. De mogelijk verbeterde ontwaterbaarheid van het slib na vergisting is nog onzeker en is derhalve niet meegenomen in de businesscase, maar zou deze positiever maken, omdat de kosten voor eindverwerking, die worden bepaald per ton slib, een groot deel uitmaken van de totale slibverwerkingskosten.

De huidige behandeling van afvalwater is gericht op het zo ver mogelijk afbreken van de aanwezige stoffen. Hierin is een kentering gaande; de aandacht verschuift naar het terugwinnen van water, energie en grondstoffen. Voor het terugwinnen van energie krijgt slibgisting veel aandacht, waarbij vooral gekeken wordt naar het optimaliseren van mesofiele slibgisting (30-33ºC) door thermische slibontsluiting (voorbehandeling van het slib door hydrolyse bij hoge druk en temperatuur. Een andere mogelijkheid is thermofiele slibgisting (52-55 ºC), al dan niet met voorbehandeling. Bij thermofiele slibgisting verloopt het gistingsproces sneller, waardoor extra vergistingscapaciteit vrijkomt [1]. Deze capaciteit kan worden benut door slib van andere rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi’s) te vergisten.

De technische haalbaarheid van thermofiele slibgisting in Nederland is ingeschat op basis van praktijkervaringen bij communale en industriële toepassing op verschillende plekken in Europa. Daarnaast is een literatuurscan uitgevoerd. De economische haalbaarheid werd bepaald door uitwerking van een businesscase, waarbij de volgende varianten zijn beschouwd:
1.    mesofiele gisting (basisvariant);
2.    thermofiele gisting zonder benutting van extra capaciteit;
3.    thermofiele gisting met benutting van extra capaciteit (thermofiel +);
4.    thermofiele gisting met thermische slibontsluiting en benutting van extra capaciteit.

Deze varianten zijn uitgewerkt voor slibverwerking bij een grote rwzi (490.000 i.e.) en een kleinere rwzi (150.000 i.e.).

Verschillen tussen thermofiele en mesofiele vergisting
In het verleden bestond het beeld dat het thermofiele gistingsproces minder stabiel zou zijn dan het mesofiele. Recente literatuur en ervaringen tonen aan dat deze aanname ongegrond is. Uit de literatuurscan is ook gebleken dat thermofiele vergisting een aantal voordelen heeft ten opzichte van mesofiele vergisting [1]:
-    hogere maximale groeisnelheid, dus hogere belasting van slibvergisters mogelijk;
-    hogere afbraak van droge stof, dus hogere biogasproductie (+ 5-30 %) bij gelijke verblijftijd (Afbeelding 1);
-    digestaat mogelijk beter ontwaterbaar;
-    verhoogde afbraak van pathogenen.
Daarnaast kan het energetisch gunstig zijn thermofiele vergisting te combineren met voorafgaande thermische slibontsluiting, omdat het slib hierbij al wordt voorverwarmd.

Afbeelding 1 geeft de afbraak van organische stof weer onder mesofiele en thermofiele omstandigheden bij verschillende verblijftijden. Hierin geven de lijnen de theoretische afbraak weer, gemodelleerd volgens Chen en Hashimoto [2]. Punten geven gemeten waarden aan van verschillende praktijkinstallaties. In de praktijk spelen naast temperatuur ook andere factoren, zoals de verhouding tussen primair en secundair slib, een rol. In theorie is de afbraak onder thermofiele omstandigheden bij gelijke verblijftijd hoger dan onder mesofiele omstandigheden. Dit is ook voor de meeste praktijkwaarden het geval.

Afbeelding 1. Theoretische afbraak (lijnen) van organische stof (%) en praktijkwaarden (punten) uitgezet tegen de verblijftijd [1].

Bij thermofiele slibgisting verdient een aantal zaken extra aandacht:
-    hogere warmtebehoefte; afhankelijk van de situatie is warmteterugwinning nodig;
-    meer stikstof en fosfaat in het digestaat;
-    meer H2S- en vocht in het biogas;
-    mogelijk hoger siloxaangehalte van het biogas.

Ervaringen in het buitenland
In het buitenland – onder andere in Denemarken, Duitsland en de VS – wordt thermofiele gisting veel toegepast op communaal slib. Het thermofiele gistingsproces verloopt stabiel [3-9]. De afbraak van organische droge stof (ods) ligt tussen 55 en 70 %, wat hoger is dan in Nederland behaalde percentages met mesofiele gisting (gemiddeld 42 %). Hierbij dient te worden opgemerkt dat de gerapporteerde biogasproducties als te onbetrouwbaar zijn beoordeeld om conclusies uit te kunnen trekken. Een aantal praktijkinstallaties rapporteert een verbetering van de ontwaterbaarheid.

Het literatuuronderzoek heeft geen eenduidige kwantitatieve gegevens opgeleverd over de verschillen tussen mesofiele en thermofiele gisting. Om deze reden kan op basis van de buitenlandse praktijkgegevens geen voorspelling gedaan worden voor de Nederlandse situatie. Wel is op basis van modellen (Chen & Hashimoto, [2]) te voorspellen dat de verbetering van de ods-afbraak groter zal zijn bij kortere verblijftijd.

Uitgangspunten businesscase
Voor de businesscase zijn de volgende uitgangspunten gehanteerd:
-    de slibsamenstelling is representatief voor de Nederlandse praktijksituatie;
-    de biogasproductie is berekend met behulp een rekenkundig model (Chen & Hashimoto);
-    de ontwaterbaarheid is na thermofiele gisting even hoog als na mesofiele gisting;
-    de ontwaterbaarheid is na thermische slibontsluiting hoger dan zonder voorbehandeling;
-    deelstroombehandeling van het rejectiewater bij thermofiele gisting vindt plaats in een anammoxreactor.

Voor alle varianten is als onderdeel van de businesscase een warmte- en energiebalans opgesteld. Het geproduceerde biogas wordt verbrand in WWK’s (warmtekrachtkoppeling) voor de productie van warmte en elektriciteit. De hoeveelheid geproduceerde warmte wordt vervolgens vergeleken met de warmtebehoefte. Bij een tekort aan warmte is uitgegaan van aardgas als aanvullende energiebron.

Het ontwateren van het slib, het energieverbruik en de afvoer voor eindverwerking zijn belangrijke (de belangrijkste?) kostenposten voor slibverwerking.
Uitgaande van de eenheidsprijzen in tabel 1 hebben we daarom een gevoeligheidsanalyse van de businesscase uitgevoerd, met de ontwaterbaarheid van het slib, de elektriciteitskosten en de afzetkosten van slib als variabelen.

Tabel 1.    Belangrijkste financiële uitgangspunten

Positieve businesscase
In afbeelding 2 en 3 zijn de jaarlijkse kosten en baten voor de varianten bij de twee schaalgroottes weergegeven. Hierin zijn de baten als negatieve kosten weergegeven. Daarnaast zijn in tabel 2 de terugverdientijden voor de verschillende varianten bij verschillende schaalgroottes weergegeven. Hieruit blijkt dat het overschakelen van mesofiele naar thermofiele slibgisting voor beide schaalgroottes een jaarlijkse besparing oplevert. Wanneer ook de restcapaciteit gebruikt wordt, neemt de besparing toe en wordt de terugverdientijd korter. Het toepassen van thermofiele gisting met thermische slibontsluiting (TSO) zorgt bij beide schaalgroottes voor een toename van de terugverdientijd ten opzichte van thermofiele vergisting zonder TSO, zowel met als zonder benutting van de restcapaciteit.

Afbeelding 2. Jaarlijkse kosten en opbrengsten voor de varianten bij 150.000 i.e.

Afbeelding 3. Jaarlijkse kosten en opbrengsten voor de varianten bij 490.000 i.e.

Tabel 2.    Terugverdientijd in jaren voor de verschillende varianten bij twee schaalgroottes

Uit de warmte- energiebalans blijkt dat in de varianten zonder TSO restwarmte geproduceerd wordt. In de variant met TSO is periodiek extra warmte nodig, uitgaande van een ingaand drogestofgehalte van 7,0 %. Bij verhoging van het ingaande slibgehalte bij TSO daalt de warmte(stoom)behoefte.

Uit de gevoeligheidsanalyse blijkt dat als de kosten voor elektriciteit en slibafzet stijgen, de terugverdientijd voor de thermofiele varianten verder verkort wordt ten opzichte van mesofiele vergisting. Een verbeterde ontwaterbaarheid (alleen bij de varianten zonder TSO) zorgt eveneens voor een positievere businesscase.

Conclusies
De investeringen voor thermofiele gisting verdienen zichzelf in maximaal tien jaar terug door de jaarlijkse besparingen op de slibverwerkingskosten. Dit geldt voor alle thermofiele varianten. Thermofiele gisting met benutting van restcapaciteit komt als interessantste variant uit de businesscase. Wanneer thermofiele slibgisting – bij gelijke verblijftijd – een hogere afbraak of betere ontwaterbaarheid realiseert, is thermofiele slibgisting ook zonder benuttig van restcapaciteit interessant. Er moet rekening mee gehouden worden dat er niet altijd voldoende extern slib beschikbaar is om de restcapaciteit maximaal te benutten. Omgekeerd biedt een verhoogde capaciteit van de slibgisting door toepassing van thermofiele gisting mogelijkheden voor uitbreiding van centrale slibverwerking op de betreffende locatie.

Het grootste voordeel van thermische slibontsluiting is de verbeterde ontwaterbaarheid. Er is echter een hoge investering nodig en het proces verbruikt warmte (stoom). Hierbij dient te worden opgemerkt dat in de businesscase is uitgegaan van de rwzi Bath, waar bij de ontwerpcapaciteit sprake is van een sub-optimale uitgangssituatie voor de warmtehuishouding. Bij een hoger gehalte aan drogestof van het ingaande slib is geen extra energie voor stoomproductie nodig.

Op basis van deze businesscase gaat de voorkeur uit naar de variant thermofiel+, maar in de praktijk zal vooral de verbetering van de ontwaterbaarheid nader moeten worden geverifieerd. Dit geeft uiteindelijk de doorslag geven welke variant de voorkeur verdient.

Outlook: full scale praktijkonderzoek
In deze businesscase blijkt dat de ontwaterbaarheid van het slib na vergisting van cruciaal belang is voor de rendabiliteit, omdat de kosten van slibafzet een belangrijk deel uitmaken van de jaarlijkse kosten van slibverwerking. Ook de (hogere) biogasproductie per ton slib bij thermofiele slibgisting bepaalt de economische haalbaarheid van thermofiele slibgisting in Nederland. Als vervolg op de eerdere pilotstudie [10] loopt nu een full-scale praktijkonderzoek op rwzi Bath, ter verificatie van de uitgangspunten van de businesscase (Afbeelding 4).

Afbeelding 4. De twee slibgistingsreactoren op rwzi Bath (foto Roger Vingerhoeds, Waterschap Brabantse Delta).

Het praktijkonderzoek op de rwzi Bath wordt gefinancierd door Waterschap Brabantse Delta en de STOWA. Waterschap Brabantse Delta en de firma Colsen b.v. voeren het onderzoek uit. Witteveen+Bos ondersteunt het onderzoek en zorgt voor de vertaling van de resultaten naar de landelijke praktijk, waardoor deze ook interessant worden voor andere waterschappen die overwegen over te schakelen van mesofiele naar thermofiele slibgisting.

Wanneer de resultaten van het praktijkonderzoek de businesscase ondersteunen of zelfs versterken, betekent dit dat slibverwerking door de Nederlandse waterschappen tegen aanzienlijk lagere kosten kan plaatsvinden. Wel dient hierbij de kanttekening geplaatst te worden dat waterschappen in sommige gevallen een samenwerking zijn aangegaan waarin slibeindverwerking wordt uitgevoerd. Wanneer de aanvoer naar de eindverwerking daalt door nieuwe strategieën voor slibbehandeling, zoals thermofiele vergisting, ontstaat overcapaciteit. Als deze niet wordt opgevuld, nemen de verwerkingskosten per ton droge stof toe, waarvan de samenwerkende waterschappen zelf nadeel ondervinden.

Referenties
1.    STOWA (2011). Handboek slibgisting. STOWA rapport 2011-16.
2.    Chen Y R & A G Hashimoto (1980). Substrate utilization model for biological treatment systems. Biotechnology & Bioengineering 22: 2081-2095.
3.    Garber, W.F. (1954). Plant-scale studies of thermophilic digestion at Los Angeles. Sewage Ind. Wastes. 26, 1202.
4.    Garber, W.F., Ohara, G.T., Colbaugh, J.E., Raksit, S.K. (1975) Thermophilic digestion at the Hyperion treatment plant. J. Water Pollut. Control Fed. 47, 5, 951-961.
5.    Oles, J., Dichtl, N., Niehoff, H.H. (1997) Full scale experience of two stage
thermophilic/mesophilic sludge digestestion. Water Sci. Technol. 36, 6/7, 449-456.
6.    Mittsdorffer, R., Demharter, W. (1990). Zweisufig-thermophile/mesophile Faulung-Betriebsergebnisse. Abwassertechnik, 41, 2, p. 32, 34-38.
7.    Kaemmerer, T. Beheerder Klaranlage Wilhelmshaven (2011). Email contact, 20-10-2011.
8.    Siemers, J.C. Beheerder Klaranlage Steinhof (2011). Email contact, 24-10-2011.
9.    Nielsen, B. and Petersen G.. (2000). Thermophilic anaerobic digestion and pasteurization: practical experience from Danish wastewater treatment plant. Water Science and Technology, Vol 42 No 9 pp65-72.
10.    Wypkema, E., Vingerhoeds, R., Colsen, J. & Smet, D. (2013). Pilotonderzoek thermofiele slibgisting op rwzi Bath: veelbelovende resultaten. Gepubliceerd op http://www.vakbladh2o.nl

Download hier een pdf van dit artikel.

Om behalve op waterkwantiteit ook op waterkwaliteit te kunnen sturen zijn de volgende ingrediënten nodig:
- betrouwbare metingen van waterkwaliteit en waterkwantiteit;
- goede modellen voor het (afval)watersysteem, zowel riolering als oppervlaktewater;
- goede voorspelling van het systeemgedrag op korte termijn.

Deze drie ingrediënten hebben veel met elkaar te maken. Voor een goede voorspelling is een goed model nodig en een model is pas bruikbaar als het goed gekalibreerd is op basis van betrouwbare data. In dit artikel beperken we ons tot de rioleringsmodellen. Het kalibreren en valideren van rioleringsmodellen vraagt metingen van de waterstanden in het stelsel, maar ook van de neerslag die er in het stedelijk gebied valt. Het is al een behoorlijke opgave om goede betrouwbare metingen van de waterstand te krijgen op voldoende plekken in het rioolstelsel. Maar een gedetailleerd neerslagbeeld is niet kant-en-klaar beschikbaar. En juist in stedelijk gebied maakt het veel uit waar op welk moment hoeveel neerslag valt. Er zijn vaak wel één of meer grondstations beschikbaar, maar een meting van de neerslag op één plek hoeft niet representatief te zijn voor wat er in een veel groter gebied valt. Voor een goede kalibratie van de modellen is betrouwbare data nodig van de neerslag met een hoge resolutie in ruimte en tijd. Een schaal van 1 km in de ruimte en 5 minuten in de tijd lijkt voldoende. Die resolutie is in stedelijk gebied lastig te realiseren met grondstations. De neerslagradar van het KNMI is een alternatief, maar de absolute neerslag-gegevens zijn erg onnauwkeurig. Door de sterke kanten van beide bronnen slim te combineren ontstaat een beeld van de neerslag in tijd en ruimte dat nauwkeurig genoeg is om betrouwbare modellen te krijgen.

Er zijn gecorrigeerde neerslagradarbeelden op de markt, maar die zijn voor dit doel niet goed genoeg. Daarom heeft Witteveen+Bos in opdracht van Waterschap De Dommel een methode ontwikkeld waarin beide databronnen gecombineerd worden tot een beeld dat wel een voldoende betrouwbaar resultaat geeft. In dit artikel wordt uitgelegd welke keuzes daarbij zijn gemaakt en wat het oplevert.

Grondstations versus neerslagradar
Voor neerslag zijn er twee belangrijke databronnen: neerslagradar en grondstations.
De neerslagradar van het KNMI is een indirecte meting op afstand. Via reflectie van radarsigna-len op waterdruppels in de lucht wordt vastgesteld hoeveel neerslag er valt. Het KNMI heeft een radarstation in De Bilt en in Den Helder. De neerslagradar geeft een goed beeld van de ruimtelijke variatie in de neerslag en de ontwikkeling van buien in de tijd. Maar als het gaat om de absolute hoeveelheid neerslag en de exacte tijd waarop deze op de grond valt is de radar erg onnauwkeurig. Dat heeft te maken met verstoringen in de lucht en de afstand tussen de locatie en de radar.

Naast de radar heeft het KNMI grondstations, en vaak hebben waterschappen en gemeentes er ook één of meer in hun beheergebied staan. Voor het meten van neerslag op de grond zijn verschillende methodes beschikbaar (Afbeelding 1). In alle gevallen is zorgvuldige plaatsing en kalibratie op locatie nodig. Als aan die voorwaarden is voldaan levert een grondstation zeer nauwkeurig gegevens van de neerslag zowel in hoeveelheid als in tijd. Het nadeel is dat de informatie een heel klein gebied betreft. Eén regenmeter geeft geen ruimtelijk beeld. Het is vanwege de kosten de vraag of met alleen grondstations op een kosteneffectieve en praktische manier een ruimtelijk dekkend beeld te verkrijgen valt.

Afbeelding 1. Testopstellingen grondstation voor neerslaganalyse op rwzi Eindhoven
Meetmethodes: kantelbakjes (links op de foto), gravimetrisch (rechts) en optische druppelteller (midden).

Het verschil tussen radar en grondstations blijkt goed als de neerslag van grondstation Eindhoven R2 wordt vergeleken met de neerslag volgens de radar in het pixel waar het grondstation ligt. In figuur 2 is die vergelijking weergegeven voor een bui op 10 juni 2011. Er zijn grote verschillen te zien in de meting van het tijdstip en de hoeveelheid neerslag die is gevallen.

Figuur 2. Verschilmeting grondstation en radarbeeld (10 juni 2011)

De sterke en zwakke kanten van beide meetmethoden zijn in de onderstaande tabel samengevat.

Tabel 1. SWOT-analyse neerslagmonitoringstechnieken


De zwakke punten van de radar zijn de sterke punten van grondstations en vice versa. Het is dus interessant om de informatie uit beide methodes te combineren om te komen tot een neerslag-beeld dat én betrouwbaar is in tijd en hoeveelheid én informatie geeft over de ruimtelijke variatie.

Samenvoegen radar en grondstations
Voor het combineren van neerslagradar en grondstations is gebruik gemaakt van conditional merging, een techniek die is gebaseerd op kriging. In een vergelijkende studie is deze methode getest als ‘beste koop’: relatief eenvoudig te implementeren, niet al te rekenintensief en de op-één-na-beste als gekeken wordt naar de kwaliteit van de voorspelling. Conditional merging gaat uit van de dagsommen. De dagsom per pixel wordt weer teruggerekend naar de 5-minuten-waarde op basis van de grondstations in de buurt. Op dit punt wordt nadrukkelijk een andere keuze gemaakt dan gebruikelijk. Doorgaans wordt teruggerekend naar 5–minuten-waarden op basis van de verdeling van de neerslag over de dag zoals de neerslagradar die heeft bepaald. Echter, zoals uit figuur 2 blijkt, is die niet representatief voor wat er daadwerkelijk op de grond is gevallen.

Aan hand van het nieuw ontwikkelde algoritme zijn alle neerslagradargegevens van 2011 in een gebied rond het Kallistoproject gecorrigeerd op basis van gevalideerde meetgegevens van 9 grondstations van gemeenten en Waterschap De Dommel.

In afbeelding 3 is weergegeven wat het effect is van de correctie op basis van conditional merging voor de dagsom van de neerslag op 10 juni 2011. Boven het ruwe radarbeeld, onder het gecorrigeerde radarbeeld. De rode stippen geven de positie en neerslag aan van de grondstations. De beelden lijken veel op elkaar, maar de schaal verschilt behoorlijk. Volgens de neerslagradar is er maximaal 5 mm gevallen, terwijl het gecorrigeerde beeld 12 mm aangeeft. Het radarbeeld is min of meer opgetild naar het niveau van de grondstations.

Figuur 3. Effect van correctie op basis van conditional merging voor dagsom van de neerslag op 10 juni 2011

Validatie van het algoritme
Omdat de resultaten van de neerslagradarcorrectie worden gebruikt voor kalibratie van de riool-modellen, is het nodig de methode zelf te controleren. De methode die door Witteveen+Bos is ontwikkeld is gevalideerd op basis van ‘leave-one-out’. Dat wil zeggen dat één grondstation buiten het algoritme wordt gehouden, zodat achteraf kan worden gecontroleerd hoe goed de meetreeks van dit station op basis van het algoritme kan worden gereconstrueerd. Door dat met alle stations één voor één te doen, ontstaat een beeld van de nauwkeurigheid van de methode.

Uit deze validatie is gebleken dat de gemiddelde fout (RMSE) 3,0 mm is voor de dagsom en 0,12 mm voor de 5-minuten-waarden. Bij het berekenen van deze fouten zijn dagen zonder neerslag buiten beschouwing gelaten. De prestaties voor de dagsom komen overeen met de resultaten van Goudenhoofdt en Delobbe (2009). Voor 5-minuten-waarden zijn in de literatuur geen referen-ties bekend, omdat nog niemand zich daaraan heeft durven wagen. De ervaring leert dat bij de gebruikelijke methode om 5-minuten-waarden te berekenen de fout nog erg groot is.

De gecorrigeerde neerslagradardata is geëxporteerd naar een bestand dat kan worden gebruikt in de rioleringsmodellen. Per radarpixel is in het rioleringsmodel een neerslagreeks beschikbaar. Dit gedetailleerde neerslagbeeld blijkt er in stedelijke omgeving toe te doen. De waterstanden in het gekalibreerde model van Eindhoven liggen heel goed op de rioolwaterstandsmetingen die ook in het Kallisto-project verzameld zijn. Dat geeft vertrouwen in het model en de metingen, maar ook in de methode waarop de corrigeerde neerslagradar is berekend.

Conclusie
In dit artikel is getoond dat het mogelijk is de neerslag per 5 minuten in stedelijk gebied nauwkeu-rig te bepalen met een hoge resolutie. Daarvoor is een slimme combinatie van de gegevens van de neerslagradar en grondstations nodig. De methode die hier is beschreven wijkt af van andere methoden in de keuze voor de kriging-methode (conditional merging) en het terugrekenen naar 5-minuten-waarden (op basis van grondstationmetingen). Uit de validatie blijkt dat deze keuzes zor-gen voor een nauwkeurig beeld van de ruimtelijke variatie in de neerslag per 5 minuten.

Verantwoording
Dit artikel is tot stand gekomen in opdracht van STOWA als onderdeel van de kennisdeling binnen het Kallisto-project. De in het Kallisto-project opgedane kennis wordt onder meer via een reeks artikelen in vakbladen gedeeld met de Nederlandstalige vakwereld.
Kallisto is mede mogelijk gemaakt door subsidie van het Ministerie van Infrastructuur en Milieu via het Innovatieprogramma KRW van Agentschap NL. Voor meer informatie: www.samenslimschoon.nl.

Literatuur

Goudenhoofdt, E. & Delobbe, L. (2009), Evaluation of radar-gauge merging methods for quantitative precipitation estimates, Hydrol. Earth Syst. Sci., 13, 195–203.

Sinclair, S. & Pegram, G. (2005) Combining radar and rain gauge rainfall estimates using condi-tional merging. Atmos. Sci. Let 6: 19-22.