H2O Vakartikelen

De zuiveringsinstallatie
In 1971 bouwde Rixona Venray zijn eerste waterzuiveringsinstallatie. Uitbreiding volgde in 1975 en in 1995. De huidige zuivering bestaat uit een carroussel van 5.400 m³ met een aerobe selector en drie nabezinktanks. Na het trommelzeven (grove deeltjes) en voorbezinking (zetmeel), wordt het water aeroob gezuiverd.
De vuillast na voorbezinking bedraagt ruwweg 6.000 kg CZV (Chemisch Zuurstof Verbruik) per dag. Het water wordt gezuiverd van ongeveer 1.500 mg/l CZV naar effluentwaarden van gemiddeld 25 mg/l CZV en 2,0 mg/l Kj-N. Daarmee is het gemiddeld schoner dan het effluent van de rwzi waar Rixona tot voor kort op loosde. Hoewel de angel natuurlijk zit in het woord ‘gemiddeld’, was er alle aanleiding om te denken aan directe lozing op het oppervlaktewater.
Daar komt bij dat er in de omgeving van Venray ’s zomers een groot neerslagtekort is. De Oostrumsche beek heeft in de zomer behoefte aan meer (schoon) water. Dat water kan via het slotenstelsel aangevoerd worden uit de Maas of eventueel van een rwzi. Ook de lozing door een lokaal aardappelbedrijf is dan een optie.
Al met al lijkt directe lozing op het oppervlaktewater duurzamer dan lozen via het rioleringsstelsel en de rwzi.

Lozing op oppervlaktewater met natuurfunctie
Rixona onttrekt jaarlijks ongeveer 800.000 m³ grondwater. Sinds oktober 2012 loost het bedrijf het gebruikte water na zuivering op het oppervlaktewater in de omgeving, en wel – via een gemeentelijke watergang - op de Oostrumsche beek. Voor deze beek gelden bijzondere kwaliteitseisen vanwege de natuurfunctie. Met het Waterschap Peel en Maasvallei is daarom intenief overlegd over de aan de lozing te stellen eisen en de technologische zuiveringsmogelijkheden. De overeengekomen normen voor de zomerperiode zijn: totaal-N = 4,0 mg/l en totaal-P = 0,4 mg/l.
Verdere zuivering van het effluent was wenselijk. De zuiveringsinstallatie heeft daarom twee extra zandfilters gekregen (met FeClSO4 en azijnzuurdosering) om rest-zwevende-stof, rest-PO4-P en rest NO3-N te verwijderen. De dosering van hulpstoffen wordt ingesteld op de behoefte. De installatie wordt zodanig ingericht dat zowel direct vanuit de nabezinktanks als via de zandfilters op het oppervlaktewater geloosd kan worden.
Bijzonder is dat ook lozing op de riolering – indirecte lozing – mogelijk blijft. Dit wordt gestuurd via het zwevende-stof-gehalte van het effluent. Lozing op het riool wordt gemeld aan de bevoegde gezagen (waterschap en gemeente).

Van de 22 rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi’s) van Waterschap Hollansdse Delta lozen er 17 op rijkswater. De debietregistratie vindt plaats met in totaal 41 debietmeters. Conform artikel 7.9 lid 4 uit de Waterregeling moeten alle debietmeters voor 1 januari 2014 tenminste éénmaal in-line (nat) zijn gekalibreerd en daarna ten minste éénmaal per vijf jaar.

Werkwijze in-line kalibratie
Bij inline kalibratie maakt men gebruik van een extern gekalibreerde debietmeter van de meetbevoegde instantie die de kalibratie uitvoert. De gekalibreerde meter wordt vlak voor de belastingplichtige debietmeter ingebouwd waarna, over een periode van één week, het water door beide debietmeters wordt geleid. Vervolgens wordt de meetafwijking van de belastingplichtige debietmeter ten opzichte van de extern gekalibreerde debietmeter bepaald. Die meetafwijking mag niet meer dan 5% zijn. Na de kalibratie wordt de externe meter weer weggehaald (‘uitgebouwd’) en door de kalibratie-instantie meegenomen.

Nadelen in-line kalibratie
Aan het in- en uitbouwen van de extern gekalibreerde debietmeter kleven meerdere nadelen. Ten eerste zijn de werkzaamheden rond de in- en ombouw van de debietmeter omvangrijk en kostbaar. Tijdens het werk moet de aanvoer van afvalwater uit de gemeentelijke riolering worden stopgezet. Bij vertraging van de werkzaamheden of een onverwachte regenbui bestaat de kans op ongezuiverde overstort vanuit de gemeentelijke riolering met gevolgen voor de kwaliteit van het oppervlaktewater. Een ander groot nadeel is dat tijdens de in- en uitbouw van de externe debietmeter over een lange tijd geen debietmeting beschikbaar is. Hierdoor functioneert de zuurstof- en de retourslibregeling tijdelijk niet, wat gevolgen kan hebben voor de kwaliteit van het geloosde effluent en daarmee voor het ontvangende oppervlaktewater. Daarnaast is het voor de inbouw van de externe debietmeter vaak nodig om het leidingwerk te veranderen. Soms ook is de in –en uitbouw van de externe debietmeter fysiek onmogelijk, of is het riskant omdat er geen hijsmogelijkheden zijn. Verder kan de meetbuis van de debietmeter door de werkzaamheden beschadigd raken.

Onderzoek alternatieve kalibratiemethodes
In 2003 heeft het waterschap de nadelen die het ondervond bij de uitvoering van de inline kalibratie onder de aandacht gebracht bij het Bureau Verontreinigingsheffing Rijkswateren. Het waterschap kreeg toestemming van het Bureau om de inline kalibratie te vervangen door kalibratie met een geijkte ultrasone debietmeting (clamp-on-meting). Deze methode bleek minder betrouwbaar te zijn dan de inline methode en is sinds 2009 niet meer toegestaan.
Op verzoek van het waterschap heeft procesautomatiseerder Endress+Hauser de haalbaarheid en de kosten geïnventariseerd van inline kalibratie voor iedere afzonderlijke debietmeter. Daarnaast zijn de mogelijkheden voor alternatieve meetmethoden voor elke debietmeter onderzocht.

Er zijn per debietmeter vijf kalibratiemethoden onderzocht:
1.    inline kalibratie (conform artikel 7.9 lid 4 Waterregeling)
2.    referentieflowmeter met pneumatische procesaansluiting
3.    extern kalibreren
4.    clamp-on-meting
5.    uitliteren
Dit resulteerde in een eerstevoorkeur-advies per individuele debietmeter. Om objectieve en transparante keuzes te kunnen maken werd hiervoor een beslissingsboom gebruikt. De beslissingsboom maakte een expliciete en evenwichtige afweging mogelijk tussen de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de kalibratie enerzijds en de kosten, ongemakken en risico’s anderzijds.
Voor geen van de debietmeters is extern kalibreren of een clamp-on-meting als eerste voorkeur uit de bus gekomen. Het rapport is besproken met het Bureau Verontreinigingsheffing Rijkswateren, dat akkoord is gegaan met de voorstellen in het rapport.

Alternatieve meetmethoden
Voor de rwzi Rotterdam Dokhaven is een interessante methode gevonden waarmee alle vijf de debietmeters (DN900 en 1100) met één master-referentieflowmeter in-line gekalibreerd kunnen worden: door de aanwezige afsluiters met elkaar te combineren wordt het water omgeleid door de master-referentieflowmeter en daarna weer teruggevoerd naar de ontvangstkelder.
Een andere mogelijkheid is de toepassing van de referentieflowmeter met pneumatische procesaansluiting. Dit is een meting met een referentieflowmeting met een gekalibreerde debietmeter waaraan een balg is gemonteerd. De balg met debietmeter wordt in de open uitstroommond van de afvoerende leiding geschoven. De balg wordt opgepompt, waardoor de debietmeter gefixeerd blijft in de afvoerende leiding. Hierna wordt ter vergelijking met beide debietmeters een duurmeting uitgevoerd van 2.000 pulsen. Indien de onderlinge afwijking tussen de referentie flowmeter en te kalibreren flowmeter kleiner is dan 5% dan keurt de meetbevoegde instantie de flowmeter goed voor de volgende vijf jaar.
Deze methode is in Europa al jaren gemeengoed, maar er was nog weinig ervaring met de toepassing ervan op leidingen met een diameter > DN100. Er is nu door Endress+Hauser met succes een pilot uitgevoerd in de leidingen van de drie toevoerende rioolgemalen van rwzi Oud Beijerland. Bij de pilot waren ook het Bureau Verontreinigingsheffing Rijkswateren en de Waterdienst aanwezig. Het Bureau is akkoord gegaan met deze manier van meten.

Daar waar nodig wordt het leidingwerk van de debietmeters van Waterschap Hollandse Delta aangepast zodat de inline kalibratie overeenkomstig het eerstevoorkeur-advies kan worden uitgevoerd. Dan kan voor alle belastingplichtige debietmeters op een doelmatige manier voldaan worden aan de wettelijke ijkplicht.

Dit is gedaan door de weerstand van een aantal vegetaties te bepalen volgens drie alternatieve berekeningsconcepten en de resultaten te vergelijken met de weerstanden die momenteel in rivierkundige modellen worden gehanteerd. Het blijkt dat voor korte uiterwaardvegetaties, zoals graslanden en ruigtes, de alternatieve berekeningsconcepten lagere weerstanden opleveren. Een lagere ruwheid voor deze vegetatietypen zou betekenen dat er meer ruimte voor natuur is.

Inleiding
Om de veiligheid in het rivierengebied te waarborgen is een goede doorstroomcapaciteit van het zomer- en winterbed van belang. Maatregelen, zoals uiterwaardverlaging en het graven van een nevengeul, kunnen de doorstroomcapaciteit verbeteren. Bij natuurontwikkeling daarentegen kan de afvoercapaciteit van de rivier afnemen door opstuwing als gevolg van een grotere stromingsweerstand van de begroeiing. Rijkswaterstaat hanteert voor het berekenen van de afvoercapaciteit van de grote rivieren het handboek ‘Stromingsweerstand in uiterwaarden’ (Van Velzen et al., 2003a, 2003b). Hieruit volgen de ontwerp-hoogwaterstanden die gebruikt worden voor het ontwerp van veilige dijken. Uit voorgaand onderzoek van Alterra (Makaske & Maas, 2007) blijkt dat een verandering van vegetatiebeheer in uiterwaarden al binnen enkele jaren kan leiden tot een groot verlies van doorstroomcapaciteit van het winterbed bij hoogwater. Dit lijkt in belangrijke mate te wijten aan verruiging van productiegraslanden bij een natuurlijker beheer. Alterra heeft, in opdracht van het ministerie van  Economische zaken onderzoek gedaan naar de stromingsweerstanden die voor natuurlijke vegetaties gelden in de uiterwaarden (Querner & Makaske, 2012). In de studie zijn graslanden, ruigte en riet betrokken. Deze vegetatiestructuurtypen spelen een rol in de eerste successiestadia, na herinrichting van uiterwaarden en bij de overgang van agrarisch naar natuurgericht beheer. Een aantal van deze vegetatiestructuurtypen is van groot belang in de Nederlandse bijdrage aan realisatie van Natura2000, het Europese netwerk van natuurgebieden. Samen vertegenwoordigen ze grote oppervlaktes in de uiterwaarden, dus hun invloed op de doorstroomcapaciteit bij hoogwater is groot.

Doel van de studie was om te verkennen of de door Rijkswaterstaat gehanteerde hydraulische ruwheden van graslanden en ruigtes realistisch zijn gezien de vegetatiehoogten in het veld, en of bijstelling van deze ruwheidsnormen overwogen zou moeten worden.

Berekening stromingsweerstanden van uiterwaardvegetaties
De doorstroomcapaciteit is in deze studie op vier manieren uitgewerkt:

1. met de ruwheden volgens het handboek van Rijkswaterstaat (het RWS-handboek);

2. met de ruwheid van de vegetatie gelijk gesteld aan de vegetatiehoogte;

3. met als uitgangspunt dat er geen stroming door de vegetatie plaatsvindt, maar alleen door het open-water-deel;

4. met de Manning-coëfficiënten uit de internationale literatuur op het gebied van vegetatieruwheid.

In het RWS-handboek (Van Velzen et al., 2003a) wordt een ruwheid van de vegetatie verondersteld die veel groter is dan de vegetatiehoogte, met name bij waterdiepten tot 2,5 à 3,0 m. Het is de vraag of er een conceptueel verschil is tussen de ruwheid van bijvoorbeeld (rots)blokken en een korte vegetatie. Bij blokken veronderstel je de hoogte van deze blokken als ruwheid, maar bij vegetatie van bijvoorbeeld 0,4 m hoog blijkt dat er voor de ruwheid uitgegaan wordt van ca. 0,84 m. Hierdoor wordt de stromingsweerstand een stuk groter. Als gevolg daarvan neemt de afvoercapaciteit aanmerkelijk af.

Verschillen in doorstroomcapaciteit in de praktijk
Voor een representatief dwarsprofiel van de IJssel met verschillende vegetatietypes is dit uitgerekend (Querner & Makaske, 2012). Het blijkt dat de afvoercapaciteit van de uiterwaarden, berekend met het RWS-handboek, tussen de 22 en 40% kleiner is dan wanneer ingeschat met de andere berekeningsmethoden. Voor het gehele dwarsprofiel (uiterwaarden en zomerbed) ligt het verschil tussen de 10 en 18%. De hydraulische ruimte die een lagere ruwheid van graslanden met zich meebrengt lijkt echter groter dan zij in feite is. De stromingsmodellen zijn namelijk gekalibreerd op het hoogwater van 1995, dus als de stromingsweerstand van de uiterwaarden lager is, dan zal de weerstand van het zomerbed groter moeten zijn. Bij herkalibratie wordt de ruwheid van het zomerbed zodanig aangepast dat de waterstand en de totale afvoer weer in overeenstemming zijn met de in 1995 bepaalde waarden. Deze herkalibratieprocedure is in deze studie ook uitgevoerd. Berekening volgens de drie alternatieve berekeningsmethoden levert na herkalibratie voor het totale dwarsprofiel een 2 tot 10% hogere afvoercapaciteit op dan berekening volgens het RWS-handboek. Een grotere afvoercapaciteit door een lagere inschatting van de ruwheid zou de mogelijkheid bieden om meer natuurontwikkeling toe te staan in de uiterwaarden. Uitgaande van de ontwerp-afvoernorm voor de IJssel (2400 m3/s) leidt het uitgangspunt ‘ruwheid = vegetatiehoogte’ tot een 0,20 m lagere waterstand dan toepassing van het RWS-handboek.

Conclusies
Nu in het kader van Ruimte voor de River en NURG (Nadere Uitwerking Rivieren Gebied) grote delen van de uiterwaarden van Rijn en Maas die voorheen in agrarisch beheer waren in een meer natuurlijk beheer komen, is het bepalen van de hydraulische effecten van deze verandering in beheer uiterst actueel. Realisatie van natuurdoelen in uiterwaarden mag de doorstroomcapaciteit bij hoogwater niet te zeer schaden. Met andere woorden: de hydraulische ruimte voor natuur is beperkt. Voor het vaststellen van de beschikbare ruimte is het cruciaal dat de ruwheid van diverse typen graslanden en ruigtes juist wordt ingeschat. Een lagere ruwheid voor deze vegetatietypen betekent dat er meer ruimte voor natuur mogelijk is.

Deze studie vergelijkt vier berekeningsconcepten voor het bepalen van de vegetatieruwheid in de uiterwaarden en de hieruit volgende afvoeren bij hoogwater. Berekening met het RWS-handboek blijkt een aanmerkelijk lagere afvoercapaciteit van de uiterwaarden op te leveren dan berekening volgens de drie andere methoden. Deze studie illustreert dat er nog steeds onzekerheid is over de werkelijke stromingsweerstand van korte vegetaties. Metingen tijdens hoogwater zijn nodig om duidelijkheid te krijgen en de beschikbare ruimte voor natuurontwikkeling beter te kunnen bepalen.

Literatuur

• Makaske, B. & Maas, G.J. (2007). Veiligheid en beheer van natuurgebieden in Ruimte voor de Rivier. Wageningen, Alterra, Alterra-rapport 1624, 39 blz.
• Querner, E.P. & Makaske, B. (2012). Verkenning van stromingsweerstanden; de hydraulische ruwheid van enkele natuurlijke uiterwaardvegetaties. Wageningen, Alterra, Alterra-rapport 2355, 38 blz.
• Velzen, E.H. van, Jesse, P., Cornelissen, P. & Coops, H. (2003a). Stromingsweerstand in uiterwaarden; deel 1 handboek versie 1-2003. RIZA, Arnhem, RIZA rapport 2003.028 134 blz.
• Velzen, E.H. van, Jesse, P., Cornelissen, P.  & Coops, H. (2003b). Stromingsweerstand in uiterwaarden; deel 2 achtergronddocument versie 1-2003. RIZA, Arnhem, RIZA rapport 2003.029 124 blz.

Download het achtergrondrapport over dit onderwerp:

Alterra rapport 2355: http://edepot.wur.nl/242897

Download hier een pdf van dit artikel.

In opdracht van Natuurmonumenten, Staatsbosbeheer, Brabants Landschap en Landschap Overijssel heeft Deltares geïnventariseerd welke invloed peilgestuurde drainage kan hebben op natuur in hoog Nederland1). Veel waterschappen voeren pilots uit of ontwikkelen nieuw beleid om de toepassing van peilgestuurde drainage te stimuleren. Deze trend kan leiden tot een snelle uitbreiding van het areaal gedraineerde landbouwgrond rond natuurgebieden (figuur 1). Drainagebuizen voeren grondwater af, terwijl de natuurbeheerders ‘s zomers juist kampen met watertekorten. Bij meer drainage zal de verdroging van natuurgebieden erger worden (zie ook kader). Momenteel is 80 tot 90 procent van de landbouwgronden rond natuurgebieden nog niet gedraineerd. Er is dus nog veel ruimte voor uitbreiding. Door meer mogelijkheden voor drainage en beregening kan grond geschikt gemaakt worden voor intensievere vormen van landbouw met een diepere ontwatering, wat in de nabijheid van natuur vaak niet gewenst is.

Figuur 1: Een nieuwe drain wordt aangelegd

Peilgestuurde drainage?
Bij peilgestuurde drainage (ook regelbare drainage genoemd) wordt aan het eind van de drainbuizen een verstelbare pijp omhoog geplaatst, zodat het overloopniveau ingesteld kan worden (zie figuur 2). Meestal liggen de drainbuizen dieper en dichter bij elkaar dan bij normale drainage en worden de buizen onderling met elkaar verbonden, met aan het einde van het systeem één niveauput met het overloopniveau. Bij een andere vorm van peilgestuurde drainage wordt het overloopniveau ingesteld met het peil in de perceelsloot. Agrariërs hebben met peilgestuurde drainage meer controle op de drainafvoer. Afhankelijk van de bediening en de hydrologische omstandigheden kunnen agrariërs met peilgestuurde drainage sneller water afvoeren of meer grondwater vasthouden dan met conventionele drains.

Er is in binnen- en buitenland onderzoek gedaan naar de invloed van peilgestuurde drainage op de agrarische bedrijfsvoering, de hydrologie en de waterkwaliteit. In Nederland is lange tijd een modelstudie van Alterra uit 20082) de belangrijkste bron van kennis over de effecten van peilgestuurde drainage geweest. In 2012 zijn ook de eerste resultaten van enkele praktijkproeven en meetstudies beschikbaar gekomen 3,4.

Figuur 2: Werking van peilgestuurde drainage (hier in een natte situatie met afvoer)

Aanpak
Uit de inventarisatie van de nationale en internationale literatuur blijkt dat er voor de hoge zandgronden nog geen onderzoek is gedaan naar de effecten van peilgestuurde drainage op nabijgelegen natuurgebieden. Om de effecten van peilgestuurde drainage op natuurgebieden te kunnen beoordelen is het belangrijk om onderscheid te maken tussen de aanleg van peilgestuurde drainage in voorheen ongedraineerde percelen enerzijds, en de vervanging van conventionele drainage door peilgestuurde drainage in reeds gedraineerde percelen anderzijds.

Naast het onderscheid in een gedraineerde en ongedraineerde uitgangssituatie, is ook onderscheid gemaakt tussen vijf verschillende varianten van peilgestuurde drainage (zie figuur 3). Peilgestuurde drainage kan immers aangelegd worden op de conventionele diepte en drainafstand (variant 1 in figuur 3). In de praktijk wordt peilgestuurde drainage echter vaak op grotere diepte (variant 2) en met en kleinere onderlinge afstand tussen de drains (variant 3) aangelegd. In de modelstudie van Alterra2) is vooral gekeken naar de effecten van verdiept en verdicht aangelegde peilgestuurde drainage in combinatie met het dempen van greppels en sloten en een forse jaarronde peilverhoging in het oppervlaktewater (variant 4). Voor de effecten van peilgestuurde drainage is goed beheer van de instelbare overloophoogte en het oppervlaktewaterpeil belangrijk. Variant 5 beschrijft de situatie waarbij de overloophoogte van de drains tijdelijk verlaagd kan worden tot onder het conventionele drainniveau of waarbij er onvoldoende wateraanvoer beschikbaar is om het verhoogde oppervlaktewaterpeil jaarrond te handhaven.

Figuur 3: Varianten van peilgestuurde drainage waarvoor effecten op natuur beschouwd zijn

De effecten van de verschillende varianten van peilgestuurde drainage zijn in eerste instantie ingeschat op basis van literatuuronderzoek en door hydrologische experts van Deltares. Deze eerste inschattingen zijn in een workshop verder uitgewerkt met externe specialisten. Voor drie verschillende hydrologische situaties zijn daarbij de effecten van peilgestuurde drainage op nabijgelegen natuurgebieden beschouwd. Er is gekeken naar infiltratiegebieden op hoge zandgronden, hellende gebieden met een dun watervoerend pakket en naar kwelpercelen in  beekdalen. In samenvattende figuren is voor een ongedraineerde en gedraineerde uitgangssituatie per variant aangegeven of het effect positief of negatief uitpakt met betrekking tot verdroging van nabijgelegen natuur. Ondanks de hydrologische verschillen ziet de samenvattende figuur er voor alle beschouwde hydrologische situaties hetzelfde uit (figuur 4).

Kans op verdroging
Uit vooraf ongedraineerde percelen wordt door de aanleg van peilgestuurde drainage altijd meer water afgevoerd dan zonder aanleg van peilgestuurde drainage. Nieuwe aanleg van peilgestuurde drainage in voorheen ongedraineerde percelen (variant A1 t/m A5 in figuur 4) werkt daardoor verdrogend op nabijgelegen natuurgebieden. Er zijn wel positieve effecten voor natuur te verwachten als de aanleg van peilgestuurde drainage gecombineerd wordt met forse peilverhogingen in alle waterlopen (50 - 100 cm op winter- én zomerpeil) door wateraanvoer, stuwniveau-verhoging, slootbodemverhoging en/of het dempen van kleinere sloten en greppels. De modelstudie van Alterra uit 20082) ging eveneens uit van deze combinatie van ingrepen. Vaak is het in hoog Nederland echter niet mogelijk dergelijke peilverhogingen jaarrond te realiseren. In veel gebieden is onvoldoende (inlaat)water beschikbaar om het streefpeil in droge periodes in de zomer te handhaven5).

In reeds gedraineerde percelen kan vervanging of ombouwen naar een peilgestuurd systeem (variant B1 t/m B5 in figuur 4) wel positief uitwerken voor natuur als er daadwerkelijk een hogere grondwaterstand wordt bereikt en gehandhaafd. Het positieve effect van peilgestuurde drainage is verder te versterken door demping van sloten en verhogen van het slootpeil in deze gebieden (variant B4).

Het vervangen van bestaande drainage door verdiepte, samengestelde en/of verdichte drainage (varianten B2 en B3) heeft niet zonder meer altijd een grondwaterstandverhogend effect. Daarom zijn deze varianten in figuur 4 groen/rood gearceerd. Het effect hangt af van de mate waarin het overloopniveau verhoogd wordt, de mate waarin de drainageweerstand afneemt en de mate waarin het samenstellen van de drainage tot herverdeling van water binnen het perceel leidt1). Wanneer drainagebuizen worden vervangen door verdiept aangelegde buizen (varianten B2 t/m B4), dan is het belangrijk dat het overloopniveau niet verder wordt verlaagd dan de oorspronkelijke drainagediepte, ook niet tijdelijk in natte perioden of voor landbewerking of het uitrijden van mest. Gebeurt dit in de praktijk wel, dan wordt in korte tijd een grote hoeveelheid grondwater afgevoerd3) en zijn de dalende grondwaterstanden negatief voor nabijgelegen natuur (variant B5). Als de agrariër naderhand het overloopniveau weer verhoogt, duurt het veel langer om de grondwatervoorraad weer op te bouwen. Is de agrariër in het voorjaar te laat met het terugzetten van het overloopniveau, dan zullen de verlaagde grondwaterstanden zich niet meer herstellen en is er geen extra water vastgehouden voor de zomer3. Het is mogelijk dit risico van extra grondwaterafvoer uit te sluiten, door de drainbuizen aan te leggen op de diepte van het laagst afgesproken overloopniveau.

Figuur 4: Het effect van verschillende varianten van peilgestuurde drainage op natuur

Rood is negatief, groen is positief en bij rood/groen kan het zowel positief als negatief uitpakken. Bij de bovenste serie (A1 t/m A5) is de uitgangssituatie ongedraineerd en bij de onderste serie (B1 t/m B5) is de uitgangssituatie conventioneel gedraineerd.

Is verhoging van waterpeilen in de natuur zelf niet al voldoende?

Natuurgebieden hebben vaak te maken met diepe sloten en drains in de nabije omgeving. In infiltratiegebieden zorgt dit voor wegzijging vanuit het natuurgebied naar de omgeving. Het watertekort in natuurgebieden wordt dan groter en verdroging neemt toe. In kwelgebieden kunnen sloten en drains in de omgeving van het natuurgebied ervoor zorgen dat de kwel het natuurgebied niet bereikt. De sloten en drains trekken de kwel dan aan voordat het kwelwater het natuurgebied kan bereiken. Veel bijzondere vegetatietypen in beekdalen zijn juist afhankelijk van de specifieke samenstelling van kwelwater.

Lokaal oplossingen zoeken
Sleutel tot succes is een lokale aanpak waarin betrokkenen gezamenlijk een optimaal totaalpakket aan maatregelen voor landbouw én natuur opstellen. Dat dit in de praktijk goed mogelijk is, bewijst de herinrichting rond het natuurgebied de Rossumermeden in Twente (beheergebied waterschap Regge en Dinkel). Het waterbeheer is daar door natuurbeheerders, landbouwers en waterbeheerders gezamenlijk ingevuld. In goed overleg is zowel vernatting in het natuurgebied als voldoende ontwatering in het aangrenzende landbouwgebied gerealiseerd. In en rond de Rossumermeden zijn de oppervlaktewaterpeilen verhoogd en zijn de beek en de sloten minder diep gemaakt. Voor de ontwatering van de landbouwpercelen is gekozen voor ondiep aangelegde drainage. In droge perioden profiteren zowel landbouw als natuur van de hogere grondwaterstanden.

Figuur 5: Praktijkvoorbeeld Rossumermeden

Conclusies en aandachtspunten
De hoge zandgebieden van Nederland kennen een groot areaal (80 tot 90 procent) nog niet door buisdrainage gedraineerde landbouwgrond. De ruimte voor uitbreiding van het gedraineerde areaal is dus groot. Wanneer in deze percelen peilgestuurde drainage wordt aangelegd zonder forse verhoging van peil en/of bodem van waterlopen, zullen de effecten voor natuur negatief uitpakken ten opzichte van de ongedraineerde situatie.

Peilgestuurde drainage biedt echter ook kansen voor natuur én landbouw, maar alleen indien toegepast in combinatie met een forse peilverhoging (50 - 100 cm op winter- én zomerpeil). Dit kan bereikt worden door wateraanvoer, slootbodemverhoging en het dempen van sloten en greppels in en rond het landbouwgebied grenzend aan natuurgebieden. Het gaat hierbij dus om een totaalpakket van maatregelen. Alleen de aanleg van drainage met verhoogde uitstroomopening, zonder verhoging van het drainageniveau van sloten, volstaat niet om voorjaars- en zomergrondwaterstanden te verhogen ten opzichte van de ongedraineerde situatie.

Een belangrijk aandachtspunt is dat het jaarrond verhogen van het oppervlaktewaterpeil in veel gebieden op de zandgronden helemaal niet mogelijk is. Veel sloten en bovenlopen van beken vallen ’s zomers droog, doordat er onvoldoende kwel en/of wateraanvoer is om het systeem watervoerend te houden. In de huidige situatie zal enkel stuwpeilverhoging in een waterloop dus niet automatisch leiden tot een hoger waterpeil, zeker niet in droge perioden. De aanleg van peilgestuurde drainage zal bij onvoldoende kwel of wateraanvoer dus juist verdrogend werken voor natuur. Voor de aanleg van nieuwe peilgestuurde drainage rond natuurgebieden zal de waterbeheerder moeten vaststellen of peilverhoging in het oppervlaktewater realiseerbaar is. Op de hogere zandgronden kan verdroging vaak alleen voorkomen worden door waterlopen minder diep te maken.

Naast het realiseren van het verhoogde oppervlaktewaterpeil is ook het beheer van het overloopniveau van de drains een sleutelfactor. Zeker als overloopniveaus (tijdelijk) dieper kunnen worden ingesteld dan het oorspronkelijke, conventionele, drainageniveau kan in korte tijd veel grondwater afgevoerd worden. Wanneer daarna onvoldoende neerslag valt, wordt er geen extra water vastgehouden voor de zomer en neemt de verdroging in nabijgelegen natuur alsnog toe.

Dit artikel is een samenvatting van het rapport Effecten van peilgestuurde drainage op natuur.

( http://kennisonline.deltares.nl/product/30210)

Referenties

• Kuijper, M.J.M., Broers, H.P. en Rozemeijer, J.C. (2012). Effecten van peilgestuurde drainage op natuur. Deltares-rapport 1206925-000-BGS-0003.
• Bakel, J. van, Peerboom, J., Rijken, R. en Stevens, H. (2008). Modelonderzoek naar samengestelde peilgestuurde drainage H₂O / 2-2008, pag. 48-51.
• Rozemeijer, J.C., Broers, H.P., Gerner, L. en Hoenderboom, A. (2012). Effecten van Peilgestuurde drainage H₂O / 18-2012, pag. 32-33.
• Stuyt, L., Bolt, F. van der, Snellen, W., Groenendijk, P., Schipper, P. en Harmsen, J. (2012). Meer water met regelbare drainage? Werking, praktijkervaringen, kansen en risico's. STOWA-rapport 2012-33.
• Worm, B., Kuijper, M.J.M., Dongen, R.J.J. van en Hendriks, D.M.D. (2012). Sturen op basisafvoer: wat te doen aan droogte en lage beekafvoeren? H₂O / 22-2012, pag. 31-33.

Dit gaat niet vanzelf. Het huidige hoge niveau van betrouwbaarheid, dat we als vanzelfsprekend beschouwen, is bereikt door een groot aantal samenhangende activiteiten. Deze zijn te clusteren onder de volgende thema’s:

Microbiologische risico-analyse; 
Reductie hygiënische risico’s tijdens werken van bron tot tap;
Minimaliseren nagroei in het net / verbeteren biologische stabiliteit; en
Adequate signalering en correctieve procedures.

Waarom extra aandacht van Oasen?
Afgelopen jaren is er bij Oasen op dit terrein veel werk verricht onder de noemer “minder beestjes”. 
Startpunt was de vaststelling in 2006 dat er in het leidingnet hogere organismen en aeromonasbacteriën in grotere aantallen werden aangetroffen dan wenselijk werd geacht. Aansluitend stelden we vast dat we onvoldoende (gedeelde) kennis hadden over de betekenis van deze hogere organismen en (pathogene) bacteriën. In combinatie met steeds warmere zomers, en dus meer bacteriegroei, is sindsdien het onderzoek geïntensiveerd en zijn verbeter acties-ingezet.  
Omdat onderzoek geen hoofddoel is voor een drinkwaterbedrijf, maar een middel om drinkwatervoorziening op een hoger niveau te krijgen, wordt in dit artikel de nadruk gelegd op de doorgevoerde verbeteracties.

Figuur 1: kapstok verbeteracties

Figuur 1 geeft de kapstok die de afgelopen jaren is ontstaan om de resulterende acties te ordenen.  Deze indeling heeft Oasen intern sterk geholpen om het belang en de onderlinge samenhang van de verschillende acties te illustreren. Terugkijkend is naar ons gevoel met name de langdurige focus een belangrijke succesfactor geweest. Geconcludeerd wordt dat deze langdurige aandacht voor microbiologie inmiddels heeft geleid tot belangrijke verbeteringen.  
Hiernavolgend is per thema uitgewerkt welke inzichten tijdens uitvoering zijn ontstaan en tot welke verbeteracties dit heeft geleid. 

1) Microbiologische risico-analyse
Conform de VROM Inspectierichtlijn “Analyse Microbiologische Veiligheid Drinkwater”  uit 2005, is er in 2006 een risicoanalyse uitgevoerd voor de bereiding van drinkwater uit oppervlaktewater en voor kwetsbare grondwaterwinningen. Hieruit volgt dat de microbiologische veiligheid van het drinkwater van Oasen gebaseerd is op de winning van bacteriologisch betrouwbaar (oever)grondwater met een voldoende ondergrondse verblijftijd om pathogene bacteriën, virussen en parasieten af te doden. Er vindt geen extra desinfectie plaats: de bodem zorgt voor desinfectie. Belangrijk is dus dat het drinkwater dan tijdens verdere zuivering en distributie niet meer wordt besmet.

Uit de analyse bleek dat de huidige  ondergrondse verblijftijd van minimaal 60 dagen op onze winlocaties voldoende  is om de veiligheid te borgen. Verder bleek dat bij hevige regenval de constructie van onze grondwaterputten een risico vormde. Besmet (regen)water zou via de putconstructie in de bronnen kunnen komen. Om deze bedreiging weg te nemen zijn de volgende acties uitgevoerd:

• Putten waar nodig opgehoogd tot minimaal 30 cm boven maaiveld;
• Peilbuizen in de putomstorting afgedicht;
• Procedures “hygienisch werken bij productie”  voor o.a. regeneratie bronnen en schoonmaken kelders zijn herzien en aangescherpt;
• Verbod beweiding op puttenvelden.

2) Reductie hygiënische risico’s tijdens werk van bron tot tap
Vele jaren ervaring leert dat microbiologische incidenten vrijwel altijd te wijten zijn aan onzorgvuldige werkzaamheden. Het is dus belangrijk om alert te blijven. Het  besef dat we heel kwetsbaar zijn voor fouten moet op het netvlies gebrand worden.  Om dit te voeden zijn cursussen georganiseerd en zijn in procedures de aandacht voor hygiënische risico’s aangescherpt. Acties zijn:

• Meerdaagse cursussen microbiologie en veiligheid voor projectleiders en management (figuur 2);
• Risicomanagement is toegevoegd aan de standaard project-aanpak van Oasen, om zodoende bij ontwerp- en bouwwerkzaamheden nadrukkelijker te kijken naar de hygiënische aspecten van materialen, ontwerprichtlijnen en  uitvoering van werken. O.a. door de invoering van de  HACCP methodiek [Lit. 2];
• Zowel de hygiënecode  distributie als de hygiënecode productie zijn herzien;
• Procedures rond het werken rondom waterwingebieden en zuiveringen zijn aangescherpt: bij werkzaamheden van derden  in het milieubeschermingsgebied voor grondwater worden automatisch via het KLIC systeem extra eisen onder de aandacht gebracht ter voorkoming van risico’s. De meldingen worden dagelijks bekeken en waar nodig wordt toezicht gehouden.
• Aannemers die voor Oasen werk verrichten krijgen extra instructies op het gebied van hygiëne en het toezicht is verbeterd door enkele full-time toezichthouders aan te stellen.

Figuur 2: cursus microbiologische veiligheid

3) Minimaliseren nagroei in het net / verbeteren biologische stabiliteit
Een lastig onderwerp. Vanuit het begrip biologische stabiliteit is veel onderzoek verricht naar groei van micro-organismen, voedingsstoffen, biofilms en andere parameters die slechts indirect te vertalen zijn naar risico’s voor de volksgezondheid. Tezamen met de komst van nieuwe moleculaire analysetechnieken, waarmee de biodiversiteit in het drinkwater steeds beter in beeld kan worden gebracht, leidt dit tot een stortvloed van onderzoeken, inzichten en onderzoeksmethoden waarvan de praktische betekenis voor de dagelijkse drinkwaterpraktijk van Oasen niet altijd even helder was. Onderstaand een poging om het verkregen inzicht te beschrijven en de acties die daaruit zijn voortgevloeid.  
Wat is biologische stabiliteit en wat moeten we  er mee?
Door van der Mark et.al [Lit. 3] is het begrip biologische stabiliteit voor de Nederlandse situatie praktisch vertaald naar nagroei van de wettelijk [Lit. 4] genoemde bedrijfstechnische parameters: Aeromonas spp en koloniegetal 22 in het distributienet.  Nagroei kan ook worden bepaald met meer bulkparameters als het ATP gehalte (maat voor actieve biomassa) en/of het aantal cellen/ml zoals bepaald met flowcytometrie.  Deze parameters zijn niet specifiek maar geven wel een beter beeld van het totaal aan microbiologisch leven in het leidingnet.

Naast de directe metingen van wettelijke genoemde bacteriën wordt biologische stabiliteit ook vaak gekarakteriseerd door de  parameters AOC en biofilmvormingssnelheid (BVS).  Als  AOC < 10 µg acetaat-C / liter is, en de BVS lager  dan 10 pg ATP/cm/dag, dan geldt het water als stabiel [Lit. 5].

Er zijn dus meerdere invalshoeken en definities om biologische stabiliteit en nagroeipotentie te beschrijven. Voor Oasen was het lastig deze begrippen te waarderen en te vertalen naar risico’s voor de volksgezondheid.  Je wordt immers niet direct ziek als aeromonas of koloniegetallen tot boven de norm worden aangetoond. Als indicator voor nagroei zijn ze echter waardevol.  Meer nagroei door voedingsstoffen in het water leidt immers ook tot een grotere kans op groei van bijvoorbeeld een opportunistisch pathogene bacterie als Legionella Pneumophila.

Naast potentiele risico’s voor de gezondheid, kan groei van bacteriën in drinkwater leiden tot esthetische klachten zoals een ongewenste smaak/geur of  troebelheid [Lit 6].  
In de dagelijkse praktijk van Oasen is bacteriologische nagroei een beperkt probleem. Uit de reguliere bemonsteringen blijkt dat vrijwel alle aeromonas en koloniegetal metingen onder de wettelijke normen blijven. De gehaltes nemen weliswaar toe in de nazomer, maar dit is tijdelijk: als het kouder wordt neemt het altijd weer af.

Projectmatige bemonsteringen in het distributienet  geven ook geen aanwijzingen voor enorme nagroei. Uit Oasen onderzoek met flowcytometrie [lit. 7 & 8], waarbij in verschillende voorzieningsgebieden het aantal bacteriën is gekwantificeerd van bron tot tap, blijkt dat het aantal cellen/bacteriën ongeveer gelijk blijft vanaf de zuivering tot de klant (100.000 – 300.000 cellen/ml). Ook het ATP gehalte blijft ongeveer gelijk (1-6 ng/l). Eenzelfde beeld is in 2010 gerapporteerd door Van der Wielen [Lit. 9].
Geur/Smaak klachten als gevolg van nagroei zijn ook beperkt. Jaarlijks komen bij Oasen 100-150 geur/smaakklachten binnen. Uit de navolgend genomen watermonsters blijken vrijwel nooit verhoogde aantallen bacteriën.

Kortom: grootschalige problemen met nagroei zijn er  niet. Voor aeromonas geldt echter wel bij Oasen dat incidenteel, bijvoorbeeld tijdens de extreem warme zomer van 2006,  in 10% van de watermonsters de wettelijke norm voor de  bedrijfstechnische parameter aeromonas spp. (1000 kve/100 ml) wordt overschreden [lit. 10]. 
Door Oasen is dan ook geconcludeerd  dat 1) er geen acute problemen zijn die vanuit volksgezondheid grootschalige investeringen voor biologische stabiliteit rechtvaardigen, en 2) dat het, ter vermindering van de risico’s van opportunistische pathogenen en de steeds warmere zomers, wel verstandig is om, waar mogelijk, de nagroeipotentie tegen acceptabele kosten te verlagen.

Vanuit het verkregen inzicht dat: 

1. Bacteriën overal zijn: In het grondwater, in de zuivering en uiteindelijk ook in het distributienet van drinkwater (o.a lit. 7,8 & 9];
2. Waar bacteriën en aanhechtingsplaatsen aanwezig zijn biofilm ontstaat. Dit is een laag micro-organismen omgeven door zelfgeproduceerd slijm dat zich vasthecht aan een oppervlak. Deze slijmlaag beschermt (ook pathogene) bacteriën tegen desinfectanten [lit. 10];
3. De biofilm een dankbare graasplek is voor hogere organismen en protozoa als amoeben, waarvan de laatste weer als gastheer dienen voor de Legionella Pneumophila [lit. 11];
4. Sediment in leidingen soms wel  95-99% van het beschikbare oppervlakt voor biofilm vormt [lit. 10];
5. Verwijderen van voedingsstoffen de biologische stabiliteit verbetert [Lit. 11 & 12];
6. Verandering van waterkwaliteit de stabiliteit van de biofilm verstoort en leidt tot nagroei of afsterving. [Lit. 15].

Er zijn acties benoemd in zowel de zuivering als distributie met het doel de nagroei in het net en de biofilm beheersbaar houden. Concreet:

Zuivering & Nieuwbouw

• Bestaande zuiveringen zijn geoptimaliseerd door de uitstoot van sediment uitstoot te minimaliseren. Dit was mogelijk door optimalisatie van filterspoelingen en  het plaatsen van FeCl₃ doseringen op 2 locaties;
• Bij de komende renovatie/herbouw van twee zuiveringsstations van Oasen is de biologische stabiliteit van het water een belangrijk ontwerpcriterium;
• Samen met de TU-Delft en KWR wordt onderzoek gedaan naar de meest veelbelovende techniek om voedingsstoffen maximaal te verwijderen tijdens de zuivering (figuur 3).

Figuur 3: proefinstallatie optimalisatie zuivering

Distributie

• Op basis van het inzicht dat (oud) sediment in het leidingnet extra aanhechtingsplaatsen geeft voor biologie is het spuiprogramma van de leidingen geïntensiveerd. Waar nodig worden alternatieve spui technieken toegepast om sediment te verwijderen;
• De monitoring van de netvervuiling is sterk vereenvoudigd door bij de periodieke brandkraancontroles het uitkomende spuiwater te classificeren (erg vuil/ vuil / schoon). Dit is een belangrijk hulpmiddel bij het prioriteren en volgen van de spui werkzaamheden (Figuur 4).
• Door het implementeren van het ontwerp van zelfreinigende netten wordt de kans op accumulatie van sediment in leidingen de komende tientallen jaren langzaam minder;
• Menging van watersoorten (pendelzones) wordt zoveel mogelijk voorkomen (gesloten netten);
• Bedrijfsvoering kelders is geoptimaliseerd voor verblijftijd.

Figuur 4: brandkraancontroles 2008 en 2012

Al met al heeft dit geleid tot een distributienet dat inmiddels duidelijk schoner is en een significante daling van het aantal klachten over gekleurd water oplevert (Download Figuur 5).

4) Adequate signalering en correctieve procedures.  
Omdat we  helaas nooit 100% kunnen uitsluiten dat er iets misgaat is het noodzakelijk een vinger aan de pols te houden en klaar te staan voor calamiteiten. Er is dan ook besloten extra aandacht te geven aan signalering en correctieve procedures. Concreet:

• Vanuit de wettelijke voorschriften wordt per voorzieningsgebied een minimum aantal monsterpunten en analyses voorgeschreven. Oasen heeft ervoor gekozen om voor de microbiologische parameters als ATP en DOC de komende jaren op meer punten te meten en een hogere analysefrequentie te hanteren om zo meer inzicht te krijgen in de “hotspots” en de ontwikkelingen van de biologie in het leidingnet.
• Om voorbereid te zijn op eventuele calamiteiten wordt de inzet van tijdelijke chloordosering en UV als extra desinfectiestap  onderzocht en beproefd.
• In de praktijk wordt geëxperimenteerd met alternatieve leidingnet-schoonmaak technieken zoals  als ice-pigging (figuur 6);
• Toetsing van binnenhuisinstallaties en voorlichting van installateurs bij nieuwbouw is geïntensiveerd, zodat er minder kans is nagroei van met name Legionella Pneumophila. Dat dit belangrijk is blijkt uit het feit dat meer dan 80% van nieuwbouw installaties in eerste instantie niet voldoet.

Daarnaast wordt ook onderzoek gedaan:

• In samenwerking met de TU Delft wordt onderzocht op welke wijze het leidingnet beter kan worden schoongemaakt na besmetting;
• De ontwikkeling van on-line biologische metingen in de markt wordt gevolgd om, indien betrouwbaar, deze te kunnen inzetten om sneller te kunnen ingrijpen bij calamiteiten;
• Met Vitens en KWR wordt in het Bio-D project nader gekeken naar de bacteriologische samenstelling in het net;

Figuur 6: Ice pigging

Conclusie
Geconcludeerd wordt dat de extra aandacht die sinds 2006 is gericht op de bacteriologie een duidelijk effect heeft gehad.  Door deze langdurige focus is het inzicht in de problematiek verbeterd en zijn ook daadwerkelijk verbeteracties doorgevoerd. Figuur 7 geeft een overzicht van de doorgevoerde acties van bron tot tap voor de korte en lange termijn. Deze concretere acties bleken op hun beurt weer goed te vertalen naar projecten in de gebruikelijke cycli van (meer)jarenplannen waarmee ook gelijk de verantwoordelijkheden, budget en voortgangsbewaking waren geregeld.

Figuur 7: acties verbeteren microbiologische veiligheid

Hoewel we zeker nog niet alle relevante processen rond de biologie van het leidingnet doorgronden, zijn we ervan overtuigd dat door deze acties een belangrijke stap vooruit is gezet in onze kerntaak: het borgen van de levering van microbiologisch betrouwbaarheid drinkwater.

Literatuur

1. Versteegh J.F.M. en Dik HHJ. (2011), De kwaliteit van het drinkwater in Nederland, in 2010. Publicatienummer VI-2011-119, RIVM rapportnummer: 703719081/2011.
2. Ardesch, H. (2012), Oasen begint met HACCP voor optimale risicobeheersing waterveiligheid. H2O / 8-2012.
3. Van der Mark, E., A. Magic-Knezev, L. Zandvliet en T. Ramaker (2012), Biologische stabiliteit van drinkwater in een ander daglicht. H2O / 4-2012.
4. Anoniem (2011), Drinkwaterbesluit, Staatsblad http://wetten.overheid.nl/BWBR0030111/geldigheidsdatum_13-07-2011
5. Van der Kooij, D. (2000) Biological stability: a multidimensional quality aspect of treated water. Water Air, Soil Pollut. 123,
6. Van der Kooij D., J. Vrouwenvelder en H. Veenendaal (2003). Elucidation and control of biofilm formation processes in water treatment and distribution using the unified biofilm approach. Water Science Technology nr. 5, pag. 83-90.
7. Knibbe, J.W. R.J. Kolpa, A. Mercer en J.C.Q.M Verberk (2012), Biologische stabiliteit van drinkwater verkend met flowcytometrie. H20 / 12 -2012.
8. Delft, Thijs-Jan van (2010); Analysis of microbiological growth in drinking water networks and sediments, TU-Delft (Master’s thesis), Oasen.
9. Mercer, A. (2011), Rapid measurement tools for the biological quality of drinking water, a case-study of flow cytometry (FCM) and the suitability of applying this technology to measurement of biological stability of drinking water, TU-Delft, Oasen.
10. Leenen, M. van ( 2006), Aeromonas bacteriën zomer 2006. Aanwezigheid van Aeromonas in het distributienet. Intern rapport Oasen.
11. Symposium Water Contamination Emergencies IV Muhlheim, Oktober 2010,
12. Kuiper, M, Bart Wullings, Dick van der Kooij (2005),  Legionella pneumophila groeit in biofilms uitsluitend in protozoa, H2O/7-2005.
13. Van der Wielen, P. en D. van der Kooij (2010), Effect of water composition, distance and season on the adenosine triphosphate concentration in unchlorinated drinking water in the Netherlands. Water Research 44 (2010) 4860-4867
14. Liu, G. (2012) Production and supply of biological stable water treated by advanced treatment processes: Pilot research at De Laak (03.2011-01.2012), TU-Delft, Oasen
15. Derks, J, (2011), Probleemschets deeltjesproblematiek H.I. Ambacht en Zwijndrecht. Intern rapport Oasen.

Deze nieuwe sensor kan op verschillende voertuigen gemonteerd worden waardoor het nu wel mogelijk is om bodemvocht te karteren met een zeer hoge ruimtelijke resolutie. Hierdoor wordt de hydrologische toepasbaarheid van deze technologie binnen Nederland enorm vergroot. Dit artikel laat aan de hand van een door stichting IJkdijk geïnitieerde studie zien wat de mogelijkheden zijn binnen de water sector en welke mogelijkheden wij in de toekomst verwachten.

Satellieten
In September 1968 werd er door de toenmalige Sovjet Unie de eerste radiometer gelanceerd onder de naam Kosmos 243. Deze radiometer was maar een maand in de ruimte, maar zijn observaties over Rusland waren direct opzienbarend. Deze satelliet sensor liet als eerste zien dat het mogelijk was om met een grote nauwkeurigheid vanuit de ruimte bodemvocht te meten in de eerste centimeters van de bodemlaag. Dit bijzondere nieuws werd al snel opgepikt door de Amerikanen en bij NASA stortte men zich, na het vertalen van de Russische documenten, massaal op dit onderwerp. Dit resulteerde in de eerste Amerikaanse microgolvenobservatie in 1973 vanuit het ruimte laboratorium Skylab. De ontwikkelingen gingen daarna door en vanaf oktober 1978 is men ook globaal dekkend gaan meten. Vanaf die tijd is de Aarde eigenlijk continu geobserveerd met verschillende microgolven radiometers, waardoor we nu dus een enorm archief hebben met informatie over   mondiaal bodemvocht. Een van de meest recente satelliet sensoren, die puur voor bodemvochtobservatie is ontwikkeld, is de Soil Moisture Ocean Salinity (SMOS) missie van ESA. Deze satelliet is gelanceerd in november 2009 en produceert nu continu op globale schaal bodemvocht data. Binnen verschillende onderzoeksprogramma’s, waaronder het Climate Change Initiative programma van ESA (http://www.esa-soilmoisture-cci.org/) worden nu deze verschillende satelliet datasets onderzocht. er wordt gekeken of deze informatie op een constructieve manier geanalyseerd kan worden, zodat we wat meer kunnen zeggen over de kwetsbaarheid van onze huidige watervoorraden.

Met een ruimtelijke resolutie van +/- 50 km zijn deze satellietobservaties voor hydrologische toepassingen op regionale en locale schaal zoals in Nederland helaas vaak veel te grof. Dit is ook de voornaamste reden waarom deze datasets in de Nederlandse water sector nog nauwelijks gebruikt worden.

Deze ruimtelijke beperking werd de voornaamste drijfveer voor Miramap BV om een veld radiometer te ontwikkelen die ingezet kan worden op verschillende platforms, waaronder een vliegtuig, of een rijdend voertuig. Door het ontwikkelen van zo een multi-inzetbare radiometer kan de ruimtelijke resolutie sterk verbeterd worden, en worden de toepassingen binnen Nederland ook veel groter.

Grondonderzoek
Dit unieke instrument is nu doorontwikkeld door Miramap BV en werd, in het kader van een door IJkdijk geïnitieerd project omtrent een droogte onderzoek van veenkaden, ingezet voor het bepalen van bodemvocht variatie [1]. Binnen dit onderzoek werd er gekeken in hoeverre bodemvochtvariaties in de kadedijk konden worden gedetermineerd met de radiometer, en of deze gegevens gebruikt konden worden om zo de effecten van droogte te kunnen volgen. De gebruikte Miramap radiometer mat elke seconde met een ruimtelijke resolutie van 1 meter. De metingen waren gekoppeld aan GPS waarnemingen om zo ook de plaats van de observaties te bepalen.

Een microgolven radiometer meet de natuurlijke uitstraling van het grondoppervlak in het microgolvenbereik en drukt deze uitstraling uit in zogenaamde “helderheidtemperaturen”. Deze helderheidstemperaturen zijn een functie van de temperatuur, vocht en materiaal van de ondiepe ondergrond tot maximaal 1 meter diepte. Omdat water direct invloed uitoefent op het electro-magnetische veld, heeft de hoeveelheid water in de bodem een hele sterke relatie met de gemeten helderheidstemperaturen. Met behulp van speciale fysische modellen kan dan het bodemvocht signaal goed uit de gemeten helderheidstemperaturen gehaald worden.

Links: 1 oktober 2011 / Rechts:23 augustus 2011

Afb. 1 Ruimtelijk bodemvocht van de Kadedijk op twee verschillende tijdstippen. De blauwe lijnen geven de sloten weer. De linker sloot ligt bij de kruin van de kade en wordt aangegeven als  het buitenwater en de rechter sloot ligt aan de teen van de kade en wordt aangegeven als de teensloot. De zwarte lijn geeft het meetveld aan.  Verder zijn de microgolven waarnemingen geconverteerd naar bodemvocht. Ze laten duidelijk een sterke vochtdynamiek zien. De helling is het gevoeligste voor verdroging, en bij de teen (links bovenin) zijn een aantal natte zones zichtbaar, die ook het gehele jaar nat zijn.

Voor dit onderzoek werden er in 2011 en 2012 verschillende metingen verricht op de kadedijk van de Veenderij ten zuidwesten van Amsterdam. Met een fysisch model werden de microgolven metingen omgezet naar bodemvocht kaarten van ongeveer 30 bij 20 m.

De waarnemingen van bodemvocht uit de microgolven observaties werden gevalideerd met in situ waarnemingen van bodemvocht van de eerste 5 centimeter van de bodem. De metingen met behulp van de radiometer hadden een goede correlatie met deze grond-waarnemingen en een nauwkeurigheid van ongeveer 4 Vol.%. De verschillende gecreëerde bodemvochtkaarten laten een sterke ruimtelijke dynamiek zien, waarbij met name opvalt dat bepaalde locaties op de helling de grootste variatie in bodemvocht laten zien en een aantal locaties aan de teen van de dijk continu nat zijn. Dit is ook duidelijk de kwelzone van deze dijk. De gebieden op de helling met de sterkste variatie van bodemvocht in de tijd  zijn het meest kwetsbaar voor droogte, omdat zij de sterkste uitdroging vertonen. Verder is in dit onderzoek ook aangetoond dat de bodemvochtwaarnemingen een goede correlatie hebben met de grondwaterstanden tot ongeveer 1 meter diepte. Hierdoor kunnen observaties met een microgolven radiometer worden gebruikt om freatische lijnen van de veenkaden te bepalen. Dit is met name belangrijk bij onderzoek naar de stabiliteit van dijken, omdat de freatische lijn een belangrijke parameter is in stabiliteitsberekeningen. Deze potentiele nieuwe toepassing moet echter  in een vervolg studie nog verder onderzocht worden, omdat nog niet goed bekend onder welke (hydrologische) omstandigheden de radiometer ingezet kan worden om een nauwkeurige schatting te kunnen maken van de freatische lijnen.

Stand van Zaken

Dit onderzoek op de kadedijk heeft aangetoond dat:

• microgolven radiometrie op een non-destructieve en efficiënte manier nauwkeurig bodemvocht kan karteren met een ruimtelijke resolutie van 1 m.
• Nauwkeurige bodemvocht kaarten informatie verschaffen over de water huishouding van de dijk.
• Nauwkeurige bodemvocht informatie in de tijd gebruikt kan worden om de kwetsbaarheid van de kadedijk in kaart te brengen.

Een ander groot voordeel is dat de radiometer licht en mobiel is waardoor het mogelijk is om hem op verschillende platforms te plaatsen. Deze flexibiliteit draagt eraan bij dat er meerdere hydrologische toepassingen zijn.  Zo is de sensor al op een quad geïnstalleerd voor een project van Rijkswaterstaat in Zeeland [2], waarbij het mogelijk werd om in korte tijd grote afstanden in kaart te brengen (zie Afbeelding 3). Bij dit project werden plotselinge veranderingen in de dijkbekleding in kaart gebracht [2]. Daarnaast werd het bij dit onderzoek ook duidelijk dat deze sensor prima functioneert in een zout milieu. Tenslotte kan de sensor ook onder een vliegtuig geplaatst worden of onder een onbemande helikopter waardoor er zelfs nog grotere gebieden adequaat in kaart gebracht kunnen worden.

Afb. 2: Links; Het  microgolven scanner systeem is hier gemonteerd op een utility quad waardoor je op een snelle manier een dijk kunt inmeten (meting bij Kattendijke, Zeeland.) Rechts; De microgolven scanner is hier gemonteerd op een buggy waardoor je op een zeer gedetailleerde manier een dijk kan inmeten (Meting van de dijkbekleding bij de Zeelandbrug). De buggy configuratie is ook het meeste geschikt voor complexe gebieden (denk bijvoorbeeld aan een veenkade met veel hekken). Voor meer informatie zie http://www.zeeweringenwiki.nl/mediawiki/index.php/Miramap

In de nabije toekomst verwachten we dat deze technologie in combinatie met hydrologische modellen en andere meettechnieken onze hydrologische kennis en met name onze kennis over de vochtdynamiek in de onverzadigde zone sterk zal vergroten. Er zijn verschillende toepassingen denkbaar. Zo kan de radiometer vrij gemakkelijk kwel zones in kaart brengen, maar hij kan ook ingezet worden om effecten van droogte te bepalen. Met behulp van deze technologie kan de bodemvochtverdeling van een landbouwveld worden bepaald, waardoor er op een efficiëntere manier geïrrigeerd kan worden, maar er kunnen ook lekkende leidingen mee getraceerd worden. Daarnaast is het een heel krachtig instrument voor het inplannen van meetinstrumenten zoals peilbuizen of vochtspanning -ensoren voor het monitoren van kadedijken op een langere termijn.

De radiometer zou ingezet kunnen worden voordat een meetcampagne begint. Met de metingen is het dan mogelijk om snel een goed beeld van de ruimtelijke verdeling van bodemvocht te krijgen. Deze informatie kan direct gebruikt worden bij een verdere meetstrategie, waardoor de meetinstrumenten juist op de representatieve of kwetsbare plekken  van het ingemeten gebied gezet kunnen worden. Daarnaast geeft zo een snelle scan direct informatie over de ruimtelijke variabiliteit van het gebied waardoor eventuele boringen ook gerichter ingezet kunnen worden. Kortom een legio aan mogelijkheden. Passieve microgolven radiometrie heeft binnen de wetenschap al een heel belangrijke bijdrage geleverd maar daarbuiten is deze technologie helaas nog steeds onbekend. Hiermee kan daar nu verandering in komen.

Referenties

[1] Monitoring droogteonderzoek veenkaden, Eindrapportage, ing. G. de Vries, kenmerk 1203255-006, december 2012.
[2] De Jeu R.A.M., R. Haarbrink en Y. Provoost (2011) Rijkswaterstaat houdt dijken in de gaten met radiometer, Land & Water, 8, 24-25

Dankwoord

Dit werk was gedeeltelijk gefinancierd door het droogte onderzoek van veenkades van stichting IJkdijk. Daarnaast willen we Waternet bedanken voor het beschikbaar stellen van de kadedijk van de Veenderij ten zuidwesten van Amsterdam.