Memo Aan: RIZA, ta.v. Timo Kroon
Van: Kees Maas. Kiwa Water Research
Doorkiesnummer: 030 69 91 860
Datum: 20 april 2004
Onderwerp: Droogtestudie
Over de geschiktheid van het instrumentarium voor de landelijke droogtestudie ten aanzien van het aspect Verzilting 1. Het relatieve belang van verzilting in een droogte studie Kwalitatieve analyses die in de eerste fase van de landelijke Droogtestudie zijn uitgevoerd leverden een zoutschade aan gewassen op die twee à drie orden van grootte kleiner is dan de te verwachten droogteschade (Tabel 1). Gelet op de betrekkelijke (on)nauwkeurigheid waarmee droogteschade berekend kan worden, lijkt zoutschade op een landelijke schaal gezien dus gevoeglijk te verwaarlozen. Waarom dan toch het instrumentarium onderwerpen aan een oordeel over de geschiktheid om verzilting te kwantificeren? De reden is dat droogteschade en zoutschade geen onafhankelijke zaken zijn. Dat de zoutschade gering is, is mede te danken aan de praktijk van doorspoelen, die erop neerkomt dat het verziltende oppervlaktewaterwater in west- en noord-Nederland verdund wordt tot een chlorideniveau dat aanvaardbaar is voor beregening. In droge tijden gaat doorspoelen van het lage deel van Nederland evenwel ten koste van beregening elders, zodat in feite zoutschade wordt voorkomen door droogteschade te accepteren. De huidige praktijk van doorspoelen, die historisch gegroeid is in een situatie met een overmaat aan zoet oppervlaktewater, stond in de eerste fase van de Droogtestudie niet ter discussie.
Droogtestudie Nederland Fase 2 Secretaris Droogtestudie:
RIZA, Postbus 17, 8200 AA Lelystad
T 0320-298411 (Kyrian van Vliet)
Secretariaat ondersteunend consortium:
ARCADIS, Postbus 4205, 3006 AE Rotterdam
T 010-2532188 (Niek van Woerkom)
www.droogtestudie.nl
De verzilting van west- en noord-Nederland is weliswaar een gegeven, m aar de manier waarop deze tot uiting komt is binnen zekere grenzen te beïnvloeden. Tabel 1: Verwachte financiële schade in 2050 (persoonlijke communicatie met RIZA) Huidig droogte M€
1967
gemiddeld
1949
Huidig zout M€
2050 droogte 2050 M€ zout M€
360
8
droog
1.200
17
1.300
21
1959
zeer droog
1.700
19
1.900
23
1976
extreem droog
2.100
31
2.200
33
Jaarlijkse verwachting
650
370
11
700
Bijgevolg is ook de doorspoelbehoefte te beïnvloeden. Wij stellen in deze notitie voor om in het vervolg van de Droogtestudie mogelijkheden van verziltingsbestrijding te onderzoeken die een besparing op doorspoelwater opleveren. Om duidelijk te maken dat die mogelijkheden bestaan, bespreken we eerst het mechanisme van verzilting via het grondwater 2. Verziltingsbeheersing In het grootste deel van west-Nederland is het diepere grondwater brak tot zout. Op de kuststrook na gaat het om zeewater dat in de ondergrond is achtergebleven toen de zee zich uit dit deel van ons land terugtrok. Van oorsprong was dit mariene grondwater vrijwel immobiel, maar onder de invloed van droogmakerijen en inpolderingen is het langzaam grootschalig in beweging gekomen. Uit onderzoek van o.a. Oude Essink, 1996 is duidelijk geworden dat dit proces, hoewel het al eeuwen geleden op gang kwam, nog lang niet is uitgewerkt. In tegendeel: de grootste verzilting ten gevolge van de ontginning van west-Nederland staat ons nog te wachten. Het mechanisme laat zich als volgt begrijpen: in relatief hoog gelegen gebieden dringt regenwater de ondergrond in. Hier treedt dus verzoeting op. Het zoete regenwater verdringt het ter plaatse aanwezige zoute grondwater, dat zich zijdelings in de richting van relatief lager gelegen gebieden verplaatst. Het zoute water dat daar al aanwezig is komt daardoor noodgedwongen omhoog. Op sommige plaatsen kan het de wortelzone bereiken en schade toebrengen aan gewassen. Belangrijker is echter dat het uitstroomt naar het oppervlaktewater, waardoor dit ongeschikt wordt voor landbouwkundig gebruik, tenzij het met (veel) zoet rivierwater wordt verdund. Uit een studie van het Hoogheemraadschap Rijnland ble ek dat de zoutbelasting van het oppervlaktewater momenteel al voor 60% is toe te schrijven aan opkwellend zout grondwater (mondelinge mededeling Hoogheemraadschap Rijnland). Klimaatverandering, zeespiegelstijging en bodemdaling kunnen de verzilting vererge ren, maar hun bijdrage is sluipend, en het is gemakkelijk te beredeneren dat deze processen op afzienbare termijn niet tot nare verrassingen zullen leiden.
Verzilting en modellen
2
Figuur 1: In natte tijden stroomt diep grondwater naar de sloten (boven); in droge tijden hoopt het zich op onder de percelen (onder). Toch baart klimaatverandering zorgen, omdat daardoor in de toekomst 's zomers wellicht te weinig doorspoelwater beschikbaar zal zijn om het oppervlaktewater geschikt te houden voor landbouwkundig gebruik. In feite lukt het de waterbeheerders in het westen van het land nu al niet meer om in droge zomers de beschikbaarheid van zoet water te garanderen. De uitstroming van zout grondwater is een zeer dynamisch proces (figuur 1). Als na een regenbui de grondwaterstand tot boven het niveau van de afwateringsmiddelen stijgt, komt er een grondwaterstroming naar de sloten op gang. Behalve het lokale regenwater wordt er ook wat dieper grondwater afgevoerd, dat brak of zout kan zijn. In drogere tijden, wanneer de grondwaterspiegel tot onder het niveau van de sloten zakt, treedt er geen zout grondwater uit. In kwelgebieden blijft het zoute water wel omhoog komen, maar het verzamelt zich onder de percelen, waar het de grens tussen zoet en zout grondwater omhoog dringt. Er is dan sprake van (weliswaar) tijdelijke berging van zout grondwater in de ondergrond. Het moment waarop die berging in werking treedt (dat is het moment waarop de grondwaterspiegel lager komt te staan dan het slootpeil) is beïnvloedbaar, door regeling van het slootpeil. Een onderzoek van de provincie Zeeland, die al in de jaren '80 van de vorige eeuw werd uitgevoerd (figuur 2, zie ook Van Boheemen e.a., 1983) toonde voor het eiland Schouwen Duiveland aan dat de zoutbelasting aan het begin van het groeiseizoen tot bijna de helft teruggebracht zou kunnen worden door het peilbeheer van het oppervlaktewater daarop af te stemmen. Uit dezelfde studie kwam naar voren dat de doorspoelbehoefte verder beperkt kon worden door de verzilting kunstmatig te concentreren op punten waar zout grondwater gemakkelijk afgevangen en afgevoerd kan worden.
Verzilting en modellen
3
Figuur 2: Berekend verloop van de zoutlast van Schouwen-Duiveland in het zeer droge jaar 1976, zonder peilmaatregelen (getrokken lijn), met peilmaatregelen (stippelllijn) en met aanvull ende zoutbeperkende maatregelen (streeplijn).
Zaken die tijdens de aangehaalde studie niet werden onderzocht, maar die wel onderzoek verdienen, zijn de invloed van de diepte van buisdrainage op de bergingscapaciteit voor zout grondwater, en de mogelijkheid om gescheiden aan - en afvoerstelsels te realiseren, waarbij de aanvoerleidingen een hoog peil voeren, en de afvoerleidingen een laag peil.
3. Het huidige reken-instrumentarium in relatie tot verzilting Figuur 3 geeft een schematisch overzicht van de rekenmodellen die RIZA inzet voor de Droogtestudie. De rekenmodellen die in de Droogtestudie gebruikt worden moeten in principe in staat zijn om de verplaatsing van het diepe zoute grondwater, de zoutindringing in het bodemwater, en de directe uitstroming van zout grondwater naar het oppervlaktewater te kwantificeren. Deze processen zijn echter niet allen even belangrijk. De verplaatsing van het diepe zoute grondwater, bijvoorbeeld, verloopt zo traag dat er in de komende 50 jaar geen grote veranderingen zullen zijn, behoudens op specifieke locaties waar de kwel erg groot is. Indringing van zout grondwater in het bodemvocht (c.q. in de wortelzone) is maar in een klein deel van westelijk Nederland te verwachten. Hoewel het op die plaatsen vervelende consequenties kan hebben is het macro-economisch van weinig betekenis. Deze aspecten van verzilting staan daarom in eerste instantie een simplistisch benadering toe, die met een gevoeligheidsanalyse achteraf gerechtvaardigd kan worden.
Verzilting en modellen
4
Belangrijker is een goede beschrijving van het tijdsafhankelijke gedrag van de uitstroming van zoutgrondwater naar het oppervlaktewater. Dit wordt verzorgd door het model MOZART, waaraan we nu enige aandacht zullen besteden, om uiteindelijk te concluderen dat MOZART in principe voor dit doel geschikt is. MOZART is een wiskundig model dat het verloop van de grondwaterstand beschrijft in afhankelijkheid van neerslag en verdamping, kwel en wegzijging, en aan- en afvoer van en naar waterlopen. Figuur 4 geeft daaraan een fysische interpretatie. Men moet erop bedacht zijn dat zo'n interpretatie vooral dient ter ondersteuning van het voorstellingsvermogen. Als de lezer een andere voorstelling zou hebben van de werkelijkheid, dan volgt daaruit niet automatisch dat MOZART ongeschikt is voor deze studie. Uit de natuurkunde zijn immers talloze voorbeelden bekend van verschillende fysische systemen die tot dezelfde wiskundige relaties leiden. Er bestaan zelfs - juist op het gebied van de grondwaterspiegeldynamica - modellen die een superieure beschrijving geven van de beweging van de grondwaterspiegel, zonder dat er een fysische voorstelling aan te pas komt. De enige opjectieve toets van een model is een confrontatie van rekenresultaten met metingen. Zo'n toets valt buiten de bedoeling van deze notitie. Het is echter wel mogelijk om te beoordelen of MOZART flexibel genoeg is om de hoofdlijnen van het verziltingsproces redelijk te beschrijven, en het is in die zin dat we een oordeel zullen geven. MOZART betrekt neerslag en verdamping van meteo-stations. De neerslag kan aangevuld worden door kunstmatige beregening. De intensiteit van de verdamping hangt af van de aard van het gewas en van de waterhuishouding in de onverzadigde zone. De uitwisseling van grondwater met de omgeving (wegzijging of kwel) volgt uit het onderliggende landelijke grondwatermodel NAGROM, door tussenkomst van het model MONA. NAGROM is een stationair grondwatermodel, waardoor de aangeleverde wegzijgings - of de kwelflux in principe niet verandert in de tijd.
DM
SOBEK
(distribution surface water)
(surface water)
AGRICOM
MOZART
DEMNAT
(agriculture)
(unsaturated zone+ top-layer)
(terrestrial nature)
MONA (GIS-interface mozart-nagrom)
ATLANTIS
NAGROM
(drinking water)
(hydr. saturated zone)
Figuur 3: Rekenmodellen die door RIZA ingezet worden voor de Droogtestudie (persoonlijke communicatie met RIZA).
Verzilting en modellen
5
neersla
interceptie verdampin
gewas verdampin bodem verdampin
Onverzadigde zone
cap. opstijging
Drainage infiltrati
Verzadigde zone
wegzijging/kwe
Regionaal grondwater systeem (uit NAGROM) Figuur 4: MOZART (persoonlijke communicatie met RIZA).
Voor de Droogtestudie is een nuance aangebracht: kwel of wegzijging zijn apart berekend voor de zomer- en de wintersituatie, op grond waarvan een sinusvormige fluctuatie met een periode van een jaar geconstrueerd is. Zoals we in de vorige paragraaf schetsten is de uitwisseling van grondwater met de omgeving in werkelijkheid een zeer dynamisch proces, dat in hoge mate gestuurd wordt door de dynamiek van de grondwaterspiegel. Het dynamische gedeelte is in figuur 4 opgevat als een rechtstreekse wisselwerking met de sloten in de omgeving, maar de weg waarlangs het water stroomt is niet expliciet gedefinieerd. De intensiteit van dit gedeelte van de uitwisseling hangt af van het verschil tussen de door MOZART berekende grondwaterstand en een extern slootpeil, en verder van een weerstandsterm. (Er zijn meerdere peilen en meerdere weerstandstermen mogelijk). Als het grondwater in NAGROM brak of zout is, dan vindt er ook een uitwisseling van zout plaats tussen NAGROM en MOZART.
Verzilting en modellen
6
Ook deze zout-uitwisseling is opgesplitst in een quas i-stationair gedeelte, dat via de onderrand verloopt, en een dynamisch gedeelte dat betrokken is op de wisselwerking met de sloten. Het zout wordt instantaan gemengd gedacht over de hoogte van het verzadigde deel van MOZART. Fysisch gezien is dat niet realistisch (want grondwater mengt nauwelijks) maar rekenkundig gezien levert deze aanname wel het gewenste effect op dat er zout afstroomt naar de sloten, en dat die afstroming afhangt van de grondwaterstand. De aanname van instantane menging zou er logischerwijze toe leiden dat er altijd zout of brak water in de wortelzone terechtkomt zodra er sprake is van zout of brak kwelwater. In werkelijkheid is er echter altijd wel sprake van een neerslaglens, die voor een zoet milieu in de wortelzone zorgt. Omdat die lens alleen in uitzonderingssituaties wel eens opgeconsumeerd wordt, is in de eerste fase van de Droogtestudie zoutschade door verzilting "van onderaf" verwaarloosd. Om MOZART landsdekkend toe te passen zijn zgn plots gedefinieerd, dat zijn gebieden met een unieke combinatie van landgebruik, bodemtype en drainage-eigenschappen ter grootte van 25 ha. Per typische plot wordt één MOZART-berekening uitgevoerd. De plots zijn geaggregeerd tot afwateringseendheden, overeenkomend met peilgebieden. Aan de peilgebieden is een doorspoelbehoefte toegekend, die tot nu toe gebaseerd is op ervaringen van de waterschappen. Tenslotte levert MOZART een flux met een in de tijd variërend zoutgehalte aan het oppervlaktewatermodel SOBEK, dat de boezemwateren modelleert. SOBEK is in principe in staat om op grond van de zoutlast een doorspoelbehoefte te berekenen.
4. Geschiktheid van het huidige reken-instrumentarium ten aanzien van het aspect Verzilting Zoals aan het begin van de vorige paragraaf werd aangegeven moet het reken-instrumentarium in staat zijn om 1. de verzilting van het diepere grondwater, 2. de verzilting van het bodemwater, en 3. de verzilting van het oppervlaktewater te modelleren, met een detail dat toereikend is om op landelijke schaal uitspraken te doen over orden van grootte en tendensen. ad 1. De verzilting (verplaatsing) van het diepere grondwater is een dusdanig traag proces dat er in de planperiode geen bijzondere aandacht aan gegeven hoeft te worden. Op plaatsen met een sterke kwel kan het diepere zoute grondwater de komende 50 jaar zich wel noemenswaardig verplaatsen, maar naar verwachting is de invloed op de landelijke zoutbalans beperkt. Op verdachte plaatsen kan door middel van een toets achteraf (door 'terug traceren') nagegaan worden of diep grondwater dat in 2050 opkwelt van een plek komt die in 2000 een duidelijk hoger zoutgehalte had. De zoutlast kan in de planperiode wel duidelijk toenemen, door een toename van de intensiteit van de diepe kwel tengevolge van zeespiegelstijging, bodemdaling en aanpassin gen in het waterbeheer. Het huidige instrumentarium is daarop berekend. ad 2. MOZART houdt geen rekening met verzilting van het bodemwater. Omdat de daaraan gerelateerde gewasschade relatief gering is, is deze aanpak verdedigbaar. Aan de andere kant is het goed mogelijk om op de schaal van de Droogtestudie een slag te slaan naar de orde van grootte van deze schadepost. Indien gewenst kunnen we daarvoor concrete aanwijzingen geven.
Verzilting en modellen
7
ad 3. De dynamiek van de uitstroming van zout grondwater naar het oppervlaktewater hangt sterk af van de dynamiek van de grondwaterspiegel. MOZART is in staat om op landelijke schaal de tijdafhankelijke zoutlast van het oppervlaktewater te simuleren. Dit is een cruciaal gegeven voor het bepalen van de doorspoelbehoefte. Tot nu toe is de doorspoelbehoefte niet berekend, maar aangeleverd door de waterschappen, die daarvoor afgaan op praktijkervaring. Voor zover wij weten doen waterschappen geen onderzoek naar mogelijkheden om de verzilting van het oppervlaktewater - en daarmee de doorspoelbehoefte - te beheersen. Omdat de doorspoelbehoefte een fors beslag legt op de totale aanvoerbehoefte van zoet water - die in de toekomst onder druk komt te staan - is het zeer wenselijk dat in het kader van de Droogtestudie onderzoek gedaan wordt naar mogelijkheden van verziltingsbeheersing. In paragraaf 2 is in hoofdlijnen op die mogelijkheden ingegaan. Daarbij is ook vermeld dat uit onderzoek voor Schouwen-Duiveland gebleken is dat er door aangepast waterbeheer een substantiële besparing op doorspoelwater mogelijk is. 5. Conclusie Het huidige instrumentarium is in principe geschikt om de gevolgen van verzilting te kwantificeren op een schaal die voor de landelijke Droogtestudie relevant is. Het is echter zeer gewenst om onderzoek te doen naar de beheersingsmogelijkheden van verzilting, omdat de huidige doorspoelpraktijk een onnodig groot beroep doet op toevoer van zoet water.
6. Literatuur Oude Essink, G.H.P., 1996: Impact of Sea Level Rise on Groundwater Flow Regimes, Delft Studies in Integral Water Management 7, Delft University of Technology. P.M.J. van Boheemen, P.J. Kusse, C. Maas en J.W. Wesseling, 1983: Effect of fresh water supply on agriculture in the southwest of the Netherlands, Neth. J. Agric. Sci. 31, 269-278.
Verzilting en modellen
8
