Technische Hogeschool. Drinkwatervoorziening TWAALFDE VAKANTIECURSUS. Afdeling der Weg- en Waterbouwkunde. 14en 15 januari 1960

Technische Hogeschool Afdeling der Weg- e n Waterbouwkunde

Drinkwatervoorziening

TWAALFDE VAKANTIECURSUS 14en 15 januari 1960

MOORMANS PERIODIEKE PERS N.V.

-

DEN HAAG

Reeds zijn in onderstaande volgorde in boekvorm verschenen de voordrachten der vroeger gehouden cursussen: 1. Filtratie, 2. Vervaardiging van buizen voor transport- en distributieleidingen, 3. Winning van grondwater, 4. Waterzuivering, 5. Hygiënische aspecten van de drinkwatervoorziening, 6. Het transport en de distributie van leidingwater, 7. Keuze, aantasting en bescherming van materialen voor koud- en warmwaterleidingen, 8, 9 en 10. Enige wetenschappelijke grondslagen der waterleidingtechniek I, I1 en 111, 11. Radio-activiteit.

Eigendom Gemeentewaterleidingen Amsterdam

Technische Hogeschool (Afdeling der Weg- en Waterbouwkunde)

Twaalfde Vakantiecursus in Drinkwatervoorziening gehouden op 14 en 15 januari 1960 te Delft

Het grondwater

MOORMANS PERIODIEI<E PERS N.V. - DEN HAAG

WOORD VOORAF Ook het onderwerp van deze 12e vakantiecursus ,,Het Grondwater", bleek de belangstelling van velen te trekken, getuige het aantal deelnemers aan de onderhavige cursus, dat de 160 overschreed. De Commissie van Voorbereiding wil bij het verschijnen van deze bundeling van de gegeven lessen gaarne dank brengen aan de docenten voor hun toegewijde medewerking. Delft, juni 1960.

De Commissie van Voorbereiding, ir. C. Biemond, prof. W. F. J. M. Krul, voorzitter, ir. J. Leeuwenberg, ir. A. F. Meyer, Jac. Breunesse, secretaris.

Herkomst, eigenschappen en gebruik van grondwater door prof. W . F . J . M . Krul 1. Inleiding

De 3e vakantiecursus - in 1951 - behandelde de ,,Winning van grondwater". Daarbij werd voornamelijk de constructie van winningsmiddelen en bemalingswerktuigen behandeld, gebaseerd op berekening van de stromingsverschijnselen. In mijn inleiding gaf ik toen een overzicht van vroegere en recente meningen over de herkomst van het grondwater en het vóórkomen van grondwater in ons land. Thans wil ik het voorkomen van grondwater op aarde in meer algemene zin behandelen, mede gegrond op wat ik op eigen reizen waarnam, om daarna stil te staan bij recente ontwikkelingen, die aanleiding gaven weer het grondwater als onderwerp voor een cursus te kiezen. Dit toch vindt zijn oorzaak vooral in de reeds opgetreden en voor de toekomst in sterke mate te verwachten veranderingen in onze economische structuur. Dientengevolge zal het waterverbruik voor bevolking en industrie sterk stijgen, terwijl de beschikbare bronnen, vooral in kwalitatieve zin, achteruitgaan. Dit noopt tot een herziening van het gehele probleem van de waterwinning en deze moet zijn gebaseerd op verfijnde methoden van onderzoek naar de beschikbaarheid van de bronnen en de wijze van exploitatie. Deze cursus zal een overzicht geven van de huidige onderzoekmethoden en de daaruit af te leiden technische en wettelijke maatregelen. 2. Klimaat

2.1. Algemeen Naast de uitspraak van Pindaros, dat water van alle dingen het beste is, kan men ook stellen dat het de vreemdste, een unieke, stof is, die tevens in grotere hoeveelheden voorkomt dan alle andere in en op de buitenste aardschil van enkele kilometers dikte. Heeft het oppervlaktewater, met name in de oceanen, een grote invloed op het klimaat, dit laatste oefent een

belangrijke invloed uit op de beschikbare hoeveelheden grondwater. Het zijn de zeer grote verdampingswarmte van water, groter dan die van welke stof ook, en tevens de grote warmtecapaciteit (alleen door die van ammoniak overtroffen), die een temperatuur-regulerende functie aan de zeeën verschaffen: op 60" N.B. bedraagt in Siberië het verschil tussen de gemiddelde zomer- en wintertemperatuur 48 "C (+ 19 en - 29 "C), op dezelfde breedte voor enkele eilanden in de Atlantische Oceaan slechts 8 "C (+ 12 en 4 "C). Dientengevolge is in de polaire gebieden en de gematigde zones de zee aanmerkelijk warmer dan het continent, in de tropische gebieden aanmerkelijk koeler. De constante sterke verwarming aan de equator veroorzaakt constante, naar de equator gerichte, passaatwinden, die het klimaat bepalen. De in dit stelsel vrijwel constant opstijgende lucht in het equatoriale gebieq, waar bovendien de zee verre de overhand heeft, veroorzaakt hier een zone van tropische regens, zowel in ZuidAmerika als in Afrika en Indonesië. Het gevolg is tevens dat op de grote continenten ten noorden van dit gebied, met name in Azië, Afrika en een klein deel van Noord-Amerika, maar ook ten zuiden in Midden-Australië en Zuid-Amerika, een vrijwel constante hoge luchtdruk heerst met derhalve een neerwaartse luchtbeweging en geringe neerslag (1).

+

2.2. De aride gebieden Aldus ligt er over de aarde een brede aride strook, waarin de verdamping verre de neerslag overtreft. Daarin liggen de woestijnen van Arizona en New Mexico, de Sahara, de Libysche, Egyptische, Arabische, Perzische, Chinese, Zuid-Amerikaanse en Australische woestijnen en steppen. Van voeding van het grondwater is er geen sprake; het zijn de streken, waarvan Da Costa dichtte: ,,- één onoverxienb're, één waterloze xee van golven steen en rots, toneel van schrik en wee, verlatenheid e n wanhoop en xonder iaaf'nis sterven". Een vliegreis maakt het u duidelijk, hoe de zeeën de mensheid verbinden en hoe zij door de woestijnen wordt gescheiden. Toch is de woestijn in de laatste decennia van aanzicht aan het veranderen: grote autowegen doorsnijden haar, de vondst van petroleum en andere delfstoffen noodt tot bewoning en wij zien hier machtige werken tot stand komen op het gebied van waterhuishouding.

Zij zijn alle gericht op permanente bevloeiing of beregening. Soms wordt daartoe van het diepe grondwater gebruik gemaakt, zoals in boven-Californië en de Sahara. Het is vaak spanningswater dat met veraf gelegen hoge regenrijke gebibden in verbinding staat. Vaak is het een sterk gemineraliseerd water. De bevloeiing geschiedt dan met water van een chloride-gehalte van 1000 tot 3000 mg Cll/liter en dit is natuurlijk slechts voor bepaalde plantensoorten geschikt. De moderne waterontzoutingsmethoden maken hier wanneer het om betrekkelijk kleine hoeveelheden gaat een goede kans. Een zeer sterke grondwateronttrekking, zoals voor de rijke cultures in Zuid-Colorado en Californië, leidt tot uitputting, althans tot te grote daling van de grondwaterstand, De enige oplossing in grote stijl is de accumulatie van de in soms veraf gelegen bergland in de regentijd gevormde neerslag door middel van stuwmeren, lange gesloten toevoerleidingen en daarop aansluitende verdeelsystemen. Prachtig werk is op dit gebied door de Fransen met aanvoer van water uit het Atlasgebergte in Marokko, Algerije en Tunesië verricht (zie afb. 1, 2 en 3). I n het bewustzijn van het belang der aride gebieden voor de economische ontwikkeling heeft Unesco enkele jaren geleden een ,,Advisory Committee on Arid Zone Research" ingesteld, dat op internationale grondslag uitgebreid onderzoek bevordert over klimaat, bodemkunde, Afb. I De woest@z 8% !&uwesie

Afb.Z Bevloeiing in aride gebieden (Tunesië)

hydrologie, waterhuishouding, plantengroei en tie-mogelijkheden. Tot hefke merkwaardige natuurverschijnselen de daling van het grondwater in droge streken kan leiden, bleek mij tijdens een symposium over aride gebieden te Albuquerque (New Mexico) in 1955, waar ik tot het uitbrengen van een rapport over waterontzouting was uitgenodigd. Ik had daarbij de gelegenheid, een zeldzaam Afb. 3 Resultaat van bevloeiing

Afb.4 Gipsduinen in New Mexico

stuk woestijnvorming te zien, de zg. Great White Sands nabij Alarnogordo, het woestijngebied waar de eerste proeven met atoombommen plaats vonden. Deze ,,White Sands" zijn een duincomplex, 50 km lang, 15 km breed en 10 - 20 m hoog; de bijzonderheid is dat de duinen niet uit zand (SiO,), maar uit zuiver gips (CaSO,. 2H,O) bestaan, dat door verstuiving van de bodem van een vroeger meer, kennelijk van vulkanische oorsprong, is gevormd. De oppervlakte van het gips, iets fijner dan zand en met meer cohesie, vertoont typische rimpelingen en zelfs golfvormingen onder invloed van de wind (zie afb. 4, 5 en 6 ) . Tijdens (zeldzame) regens verhardt het gips en maakt het skiën mogelijk. Merkwaardig is ook de natuurlijke aanpassing van de zeldzame fauna: men vindt hier witte muizen en witte hagedissen; 20 km verder, in een tyAfb. 5 Windvorming in de Great White Sands (New Mexico)

.

E

-

. . .

<

Afb.6 Ook in de Great White

pische vlakte van blauwe tot zwarte lava zijn de muizen zwart! Naar men zegt, komt een dergelijke formatie ook in Australië voor, maar die in Amerika is - uiteraard de grootste. Op grond van verschillende waarnemingen is vaak de mening verkondigd, dat de tegenwoordige woestijnen het gevolg zijn van betrekkelijk recente klimaatveranderingen. Zo was de noordrand van de Libysche woestijn in de Romeinse tijd nog een gebied van ooftteelt, het Westland van Rome. Ook neemt men wel overblijfselen van vroegere plantengroei in de woestijn waar. Het laatste verschijnsel moet echter worden toegeschreven aan het feit, dat bij een heftige regenval, die ook in de woestijn - zij het met intervallen van soms vele jaren - voorkomt, plotseling de woestijn in bloei geraakt, ten gevolge van ontkieming van plantenzaden die overal door de wind zijn verspreid. Spoedig sterven de planten weer af, maar de overblijfselen kunnen lang bewaard blijven (1). Onderzoekingen van Tixeron, meegedeeld op de hierboven vermelde conferentie in New Mexico, wezen uit dat de jaarringen van honderden jaren oude bomen in Tunesië geen enkele aanduiding geven van een klimaatverandering. Het verdwijnen van cultures aan de woestijnranden

moet dan ook - naar de huidige opvatting - worden toegeschreven aan politieke invloeden, waardoor de bevloeiing achterwege bleef. 2.3. De koude-gebieden Het klimaat van de polaire gebieden is al evenmin als dat in de aride zones gunstig voor vorming en gebruik van grondwater. Tot grote diepte is hier het water alleen als ijs in de bodem aanwezig. In Alaska smelt het bodemijs alleen door verwarming ter plaatse van de woningen. Daar wordt wel door boringen grondwater onttrokken. De onvermijdelijke plaatselijke bodemvervuiling levert daardoor in deze nederzettingen vaak grote bezwaren van hygiënische aard op. 2.4. De humide gebieden

Het zijn deze gebieden, waarin gedurende lange perioden van het jaar de neerslag de verdamping overtreft, die grondwatervorming in belangrijke mate mogelijk maken, voorzover de bodemgesteldheid daartoe gunstig is. Ook hier dringt de vraag zich op, in hoeverre klimaatschommelingen van invloed zijn op de beschikbare hoeveelheden grondwater. Uiteraard is in dit opzicht de periodiciteit der ijstijden van primaire betekenis. In de laatste voor ons land van belang zijnde ijstijd, het Wurm-Glaciaal, die op - 30.000 jaar wor'dt gesteld, lag de zeespiegel 50 a 60 m beneden het tegenwoordige peil en hoewel Nederland 'toen - in tegenstelling met het Riss-Glaciaal - nog buiten de ijsbedekking viel, was ons land een toendra-gebied met constant bevroren bodem. De gevolgen daarvan in de vorm van kryoturbate verschijnselen (scheurvorming, bodemvloeiing) zijn bij recente diepe ingravingen duidelijk waargenomen. De daarna onderscheiden klimaatperioden van het JongHoloceen (preboreaal tot -10000, boreaal tot -7000, atlanticum tot -4000, sub-boreaal tot -3000, sub-atlanticum tot -2000) eindigen met ,,het heden", dat de geologen met -2000 (dus het begin van onze jaartelling) doen aanvangen. Voor zover mij bekend bestaat er geen eenstemmigheid inzake klimaatveranderingen (temperatuur en neerslag) over lange perioden in dat ,,heden" en nog minder omtrent de te verwachten veranderingen in de ,,naastewtoekomst. ,,DrogeMen ,,natteu perioden van verschillende

lengte wisselen elkaar zonder regelmaat af en versluieren een algemene strekking van de temperatuur- en neerslaglijn over langere perioden. Naar mijn mening kan dan ook voor de perioden van enkele decennia, waarvoor wij onze technische werken berekenen, niet met een bepaalde tendens van het klip a a t rekening worden gehouden. Hier kan in bepaalde gevallen alleen de statistische bewerking van gegevens over het verleden de nodige grondslagen verschaffen. Overigens is er reden voor de veronderstelling dat in vele streken de grondwaterstanden aan een algemene daling onderworpen zijn ten gevolge van snellere afvoer van de neerslag naar het oppervlaktewater. Dit kan een gevolg zijn van meer bebouwing, aanleg van rioleringen en verharde wegen, droog leggen van moerassen en andere terreinen met gebrekkige afwatering. 3. Bodemgesteldheid 3.1. Oudere gesteenten Uitgestrekte gebieden van de aardkorst worden ingenomen door magmatische gesteenten (graniet, dioriet, gneis), met een gering gehalte aan fijne poriën (3 10%), waarin het water uitsluitend moleculair en capillair gebonden voorkomt en niet kan worden onttrokken. Een vliegtocht over sterk humide granietgebieden als New Foundland en Finland, het land der 40.000 meren, maakt het u duidelijk, dat hier van belangrijke grondwatervorming geen sprake kan zijn. Gemetamorfoseerde oudere sedimentgesteenten, zoals zandsteen, leien en schalies, kunnen plaatselijk permeabel zijn door scheuren en spleten (diaklazen), meestal in de richting van de gelaagdheid, doch hierbij is de aanwezigheid en de beweging van het grondwater geheel van toevallige omstandigheden afhankelijk. De beweging wordt in dergelijke doorlatende gesteentelagen veelal door de helling bepaald. Waar het gesteente aan den dag treedt of in contact komt met minder doorlatende lagen, kan grondwater uitvloeien of worden opgestuwd, hetgeen tot het ontstaan van natuurlijke bronnen kan leiden. Onder invloed van vulkanische werkingen kan het grondwater uit grote diepte aan de oppervlakte treden. Een deel daarvan kan afkomstig zijn uit het aan het diepte-gesteente gebonden water (,,juveniel water") , doch in het algemeen draagt deze voeding slechts in onbelangrijke mate tot de exploiteerbare grondwaterhoe-

veelheid bij. Deze is voor het overgrote deel ,,vadoos water", d.w.z. het is uit de atmosfeer afkomstig. Het uit grote diepte opstijgende water heeft een dienovereenkomstig hoge temperatuur (warme bronnen). Overgang tot stoom kan tot intermitterende uitstroming (geysers) leiden. Voorts bevat het diepe grondwater in vulkanische gebieden meestal een hoog gehalte aan zouten (mineraalwater). In Nederland is dergelijk water op 300 m diepte onder Maastricht aangeboord (Tregabron)

.

3.2. Kalksteen

Een geheel eigen hydrologisch karakter heeft de, vooral in de middelgebergten, zeer ruim op aarde verbreide kalksteen, meestal een mariene formatie uit het Mesozoïcum (secundair), die in later tijd is samengeperst en vervormd en door het koolzuurhoudende neerslagwater gemakkelijk wordt opgelost. Daarbij gaan Ca-en Mg*-ionen, tezamen met HC0,'-ionen, uit de Ca- en Mgcarbonaten in oplossing. Interessant zijn in dit opzicht de chemische analyses van regenwater, die sinds 1955 voor een groot aantal waarnemingsstations in Skandinavië, Engeland en Nederland worden verricht. Het blijkt dat de pH meestal beneden 6 en ook wel beneden 5 ligt (2).

Deze wisselwerking tussen grondwater en gesteente is wel een van de meest actieve elementen in de vervorming van de aardkorst en geeft tot merkwaardige natuurverschijnselen aanleiding. Afb. 7 Holtevorming in het krijtoppervlak van de St. Pietersberg. (Foto: ir. D. C . van Schaik) --v-

-

-

-*--*v

- m ---

--T

Door de kalkoplossing kunnen aan de oppervlakte komvormige verdiepingen optreden (dolinen, zie afb. 7) en aanleiding geven tot plaatselijk diep doordringende verticale pijpen, die later door verweringsgrond worden gevuld zg. orgelpijpen) (3). Wanneer kalksteenbodems zijn gedenudeerd, bv. door ontbossing en wegspoeling van de teelaarde, ontstaan grillige, soms woeste kalksteenstructuren als bv. in Zuidslavië. Spleten worden in dergelijk gesteente verwijd tot kanalen, holen en grotten, er ontstaan ondergrondse rivieren en meren (de zg. karstverschijnselen). Op sommige plaatsen treden natuurlijke bronnen te voorschijn ten gevolge van opstuwing van het grondwater in permeabele lagen bij het contact met minder permeabele, van overvloeiing van ondoorlatende kommen of van aan den dag treden van doorlatende lagen. Dergelijke bronnen kunnen een grote capaciteit bezitten en - afhankelijk van de grootte van het voedingsgebied en de aard van de voedende spleten of gangen - ook sterk in opbrengst wisselen onder invloed van regenrijke en droge perioden, vaak met een sterke vertraging. Grote steden als Rome, Napels, Wenen, worden door dergelijke bronnen van water voorzien. In de Apenijnen ligt bij Caposele een kalksteenbron van gemiddeld 5 m3/sec die de gehele streekwaterleiding van Apulië met een bevolking van bijna 3.000.000 inwoners voorziet. De grootste karstbron ter wereld is vermoedelijk de Fontaine de Vaucluse in de Provence met een capaciteit van 10 - 150 m3/sec, sterk afhankelijk van de regenval. I n dit prachtige oorsprongsgebied van de rivier de Sorgue vond Petrarca de inspiratie voor zijn Laura-cyclus. Ter regulering van de wisselende opbrengst van de Weense bronwaterleiding heeft men langs de aanvoerleiding enkele jaren geleden 4 ondergrondese reservoirs, elk van 150.000 m3 inhoud, gebouwd. I n kalksteenformaties van dichte structuur wordt voor zéér vele waterleidingen grondwater gewonnen door middel van uitgegraven galerijen (voor Brussel uit de kolenkalk bij Modave, voor Luik, Croydon bij Londen, Valkenburg) of door gegraven schachten (Londen, Brighton) of geboorde putten (Zuid-Limburg) . In Zuid-Limburg vertoont de kalksteen - behorende tot het Boven-Senoon - in het algemeen een beschuitstructuur van grote homogeniteit en met een belangrijk poriëngehalte (tot 20%) , zodat hierin continue grondwaterstromingen optreden, die vatbaar zijn voor berekening op grond van de Wet van Darcy. Is de chemische samenstelling van grondwater uit

Afb. 8 Karstverschiinselen in z u i d - ~ i h b u r ~ (uitgespoelde gang in het krift van de St. Pietersberg). (Foto: ir. D. C. van Schaik)

kalksteen, afgezien van plaatselijke verontreiniging, eenvoudig en constant (hardheid 16-20 Do en meestal zeer geringe hoeveelheden Fe en organische stof), de betrouwbaatheid uit hygiënisch oogpunt wisselt al naar de doorlatendheid, het optreden van karstverschijnselen en de mogelijkheden van verontreiniging in het voedingsgebied. Een regelm~tigest;ruchur als in Euid-Limburg is in dit opzicht zeer gunstig, maar ook hier zijn karstverschijnselen waargenomen (afb. 8), die tot voorzichtigheid manen. Talrijk zijn dan ook kleine of grote epidemieën, veroorzaakt door gebruik van water uit kalksteenformaties. Infecties vinden in zulk een op zichzelf vrijwel steriel milieu geen natuurlijke bestrijdmg en kunnen dus tot grote afstanden doorwerken. Ook de toegankelijkheid van galerijen en putschachten kan gevaarlijk zijn, getuige de beruchte tyfus-epidemie te Groydon in 1937. 3.3. KZ&t~schegesteenten De grootste waterrijkdom bezitten de meer of minder

grofkorrelige sedimenten uit het Tertiair en Kwartair, die in bergdalen en op hoog- en laagvlakten zijn afgezet en een belangrijk, gelijkmatig verdeeld, poriënvolumen (tot 30 a 35%) bezitten. I n een dergelijke istrope homogene massa beweegt het grondwater zich volgens eenvoudige wetten en het kan op velerlei wijze er aan worden onttrokken. Wat de winbare hoeveelheid betreft is het grondwater altijd beperkt, in afhankelijkheid van de nuttige neerslag en de dikte en doorlatendheid van de watervoerende lagen. In bergland zijn deze lagen in de dalen meestal slechts in betrekkelijk geringe dikte afgezet, maar de sedimenten zijn meestal grof, zodat voor talrijke plaatsen in Zwitserland, o.a. voor Bern, in bergdalen grondwater wordt gewonnen. Meestal zijn dergelijke grondwatermassa's door een kleilaag aan de oppervlakte tegen verontreiniging beschermd. De toenemende bebouwing en riolering en de ingraving van stookolie-reservoirs vernielen echter op vele plaatsen de afdekkende laag in Zwitserland en Zuid-Duitsland. De gunstigste situatie is aanwezig in het middenstroomgebied van belangrijke rivieren, waar deze in het algemeen door in vroegere 'tijd afgezette dikke grofkorrelige lagenpakketten stromen, die door klei- en leemlagen zijn afgedekt. De stroomsnelheid is groot genoeg om blijvend dichtslibben van het rivierbed te voorkomen en aldus is er een blijvend contact tussen het open rivierwater en het zg. oevergrondwater. Winning van dit laatste geschiedt in tal van gevallen. Wanneer voldoende afstand van de rivier wordt aangehouden om van volledige kiemvrijheid verzekerd te zijn - deze afstand hangt uiteraard van de verblijftijd in de bodem en het filtrerend vermogen van het grondpakket af - kunnen vaak overvloedige hoeveelheden grondwater worden gewonnen dat geen enkele zuivering behoeft. Het bekende, nog steeds niet tot uitvoering gekomen, project ,,Val de Loire" voor Parijs berust op een dergelijke winning van oevergrondwater, die ook voor Dusseldorf is gekozen en voor vele industriewaterleidingen in Nordrhein-Westfalen. Voor deze laatste is de eis van kwantiteit vaak belangrijker dan die van kwaliteit, zodat hiervoor de waterwinning op kortere afstand uit de rivier en ook uit horizontale boringen onder het rivierbed geschiedt. Inmiddels is voor Dusseldorf gebleken dat de tegenwoordige verontreiniging van het rivierwater met reuken smaakstoffen niet voldoende door het filtrerende oevergrondpakket wordt geabsorbeerd. Men zal hier op

grote schaal tot ozonisering of filtratie over actieve kool moeten overgaan. In de laagvlakten, waar de stroomsnelheid van de rivieren gering is, bestaat nagenoeg geen communicatie tussen de rivier en het oevergrondwater. Toch leveren de oeverlanden ook hier vaak goede mogelijkheden van grondwaterwinning op, doordat in het ouder Kwartair en soms in het Tertiair de rivieren bij de toen verlaagde erosiebasis grove lagenpakketten hebben afgezet van dikwijls grote uitgestrektheid. 4. Het-grondwater in Nederland

4.1. Geo-hydrologische gesteldheid

Deze wijkt in vele opzichten af van de situaties, die tot nu toe de revue passeerden. De diepere ondergrond, met inbegrip van het Tertiair, ligt in een zakkingsgebied van schollen en horsten, dat de laatste jaren intensief werd verkend door geofysisch onderzoek en diepe boringen ten behoeve van de winning van olie. Er is een - nog voortgaande - algemene daling van Z.O. naar n.w. opgetreden zodat een, van de oostgrens naar de zee in dikte toenemend, kwartair pakket van grove en fijnere zanden is afgezet, dat tot diepten van 200 a 300 m reikt en aldus zeer grote hoeveelheden grondwater voert. In het westen is dit bedekt door 10-20 m dikke holocene weinig doorlatende sedimenten, voornamelijk bestaande uit klei en veen, doch ook in het midden en oosten komen vele klei-, lezm- en veenlagen voor, die bovendien door glaciale stuwing, kneding en smeltwaterstromen zijn vervormd, zodat het algemene beeld belangrijke plaatselijke afwijkingen met betrekking tot de winningsmogelijkheden oplevert. De stijghoogte in het freatisch water van de infiltratiegebieden varieert uiteraard met de seizoenen en de droge en natte jaren, maar de amplitude ligt in de orde van grootte van 1 a 2 m, zodat hiermee rekening kan worden gehouden bij de constructie van de winningsmiddelen. (Ter vergelijking diene dat in het Krijt van ZuidLimburg grondwaterstandsvariaties van 5 - 10 m optreden). Nabij de oostgrens in Twenthe, op de horsten in oostelijk Noordbrabant en Noord-Limburg en in Zeeuwsch Vlaanderen ligt slechts een dun pakket van kwartair zand op het ondoorlatende (mariene) Tertiair. Hierdoor is de winbare hoeveelheid dan ook beperkt, waarbij nog komt dat met de invloed van droge seizoenen rekening

moet worden gehouden bij de afpomping van de putfilters, die immers ook bij de laagste grondwaterstand nog onder water moeten blijven. In een gebied als de winplaats voor Zeeuwsch Vlaanderen blijkt voorts, vermoedelijk ten gevolge van de ondiepe ligging van het freatisch vlak en de veelvuldige wind, de verdamping extra groot en daardoor de nuttige neerslag extra gering te zijn: men mag deze hier op niet meer dan 75 a 100 mm per jaar stellen; voor de duingebieden daarentegen mag wel op 250 a 400 mm per jaar worden gerekend. Ook de hoedanigheid van het grondwater loopt in ons land sterk uiteen. Behalve in de gestuwde glaciale infiltratiegebieden van de Veluwe en de Utrechts-Gooise heuvelrug en in het Krijt van Zuid-Limburg, is nagenoeg overal het diepere grondwater, ten gevolge van oxydatie van organische stof, anaeroob zodat het ijzer en mangaan uit de aardlagen oplost. Voorts doet zich in vele streken de invloed van oude en recente mariene transgressies gevoelen in een hoog chloride-gehalte en een hoge hardheid. TABEL 1 -

&

&

w m+

w

i-

z .s3

Samenstelling

a;;l WN Kleur (mg Pt) PH

NOsl s04"

HCOsl vrij COz SiOs Fe

Mn Ca* Mg* 0 2

.3i

m

g S . S ~

&

w Q%

.o! B a F: FI '5 05

2

3,5 21,5 4,2 13 348 6 22 0,l O 98 11,8 8,4

<

Totale hardheid ('D)

16,4

hardheid

15,9

Bicarbonaat-

g 2

i3 .?l

$z g%

a

> 8,O

KMn0.i-verbruik (mgli) Cl'

38 z% S$

-F

11 42 SP. 14 268 579 31 0,71 0,23 80,8 793

-

Tabel 1 geeft een indruk van de zeer grote kwaliteitsverschillen van het grondwater in ons land (de cijfers zijn ontleend aan analyses en iets afgerond, omdat zij alleen ter typering zijn bedoeld). 4.2. Bezwaren van grondwateronttrekking

In een land als het onze, waar aanvoer van zuiver oppervlaktewater uit stuwmeren in hoogland vrijwel tot de onmogelijkheden behoort, verdient in beginsel het gebruik van grondwater de voorkeur boven dat van min of meer verontreinigd oppervlaktewater. Ook al is het technisch mogelijk, uit sterk verontreinigd oppervlaktewater hygiënisch betrouwbaar drinkwater te bereiden, toch blijft er het grote bezwaar dat met toenemende verontreiniging en daarbij ook met smaaken reukverwekkende afvalstoffen rekening moet worden gehouden, alsmede vaak met sterke wisseling in de samenstelling. De voordelen van het grondwater worden echter bedreigd, wanneer ook deze grondstof wordt verontreinigd en het gevaar daarvoor neemt toe met de toeneming van bevolking, uitbreiding van woongebieden, toeneming van verkeer, industrie en recreatie. Alleen door een doelmatige ruimtelijke ordening kan hiertegen worden opgetreden, waarbij telkens het belang van de grondwaterwinning tegen andere belangen moet worden af gewogen. In deze belangeilstrijd moet de waterleidingbeheerder over deugdelijke wapens beschikken. Een van de problemen daarbij is, in hoeverre de grondwaterwinning inderdaad door bepaalde verontreinigingen van de bodem wordt bedreigd. Het onderzoek op dit gebied is moeilijk; prof. Baars zal in deze cursus hierover het nodige meedelen. De resultaten kunnen voor het belang van de waterwinning niet alleen voordeel, maar ook nadeel opleveren. Een gunstig resultaat met betrekking tot de reinigende werking van de bodem heeft immers altijd op bijzondere gevallen betrekking en de daardoor noodzakelijke extrapolatie leidt gemakkelijk tot overschatting in de ene of andere richting. Een groot gevaar daarbij is, dat het prijs geven van beschermingszones vrijwel steeds onherroepelijk is. Toch is voortgezet onderzoek onontbeerlijk omdat niet voldoende gefundeerde beschouwingen in een toenemend aantal gevallen onaanvaardbaar kunnen blijken als grondslag voor planologische beslissingen. Een tweede bezwaar, dat met de winbare hoeveelheid samenhangt, vormt het feit dat voor landbouw en fruit-

teelt het water een van de belangrijkste factoren der vruchtbaarheid is. De beschikbaarheid van grondwater op geringe diepte voor de planten, zoals dat in vele delen van ons land het geval is, schept de mogelijkheid tot het kweken van hoogwaardige produkten en is een der pijlers van de nationale economie. Over dit punt zal de les van ir. De Vries handelen. Een derde bezwaar vormt de aanwezigheid van grondwater met een hoog zoutgehalte, waardoor de mogelijkheden tot winning van zoet water worden beperkt. 4.3. Vergroting van de grondwatervoorraad

Het ligt voor de hand, te trachten om door infiltratie de winbare hoeveelheid grondwater te vergroten. In aride en semi-aride gebieden maakt men daartoe de laatste tijd reeds gebruik van min of meer gezuiverd afvalwater, bv. in Israël en Californië. Daarbij gaat het tot dusver om het verkrijgen van irrigatiewater, maar er gaan ook stemmen op om deze methode voor winning van drinkwater toe te passen. Ik meen dat hiertegen met Mem moet worden gewaarschuwd. Een interessant geval is de grondwaterverrijking op Long Island bij New York. De sterke grondwateronttrekking heeft hier tot verzilting op vele plaatsen van dit langgerekte schiereiland geleid. Sinds enkele jaren brengt men nu de afvoer van het regenwater-rioolstelsel zonder enige voorzuivering tot infiltratie in grote gegraven bekkens, waarbij wordt volstaan met het af en toe droog laten staan van de bekkens, zodat afscheppen van de afgezette sliblaag mogelijk wordt. Deze ,,indirecte" infiltratie geschiedt op grote afstand van grondwaterwinningen en is in technisch opzicht te vergelijken met de duinbevloeiing van de Leidse duinwaterleiding. In ons land kennen wij sinds kort vele voorbeelden van kunstmatige infiltratie: Zeeuwsch Vlaanderen, Enschede, Leiden, Den Haag, Amsterdam en het P.W.N. In de drie laatstgenoemde gevallen is het doel niet alleen een kwantiteit~-,maar ook een kwaliteitsverbetering, waardoor de bezwaren van het gebruikte oppervlaktewater voor een groot deel worden ondervangen. Naar mijn mening zal voor de toekomst met toenemende toepassing van deze methode moeten worden gerekend, waarbij ik aan infiltratiegebieden als het Gooi en de Veluwe denk. Het is m.i. noodzakelijk, dergelijke mogelijkheden te gaan onderzoeken en daarmee ook planologisch reeds rekening te houden. Volledigheidshalve wijs ik nog op de mogelijkheid om

langs de Maas in Zuid-Limburg oevergrondwater te winnen. 5. Besluit Gezien de grote betekenis van de grondwaterwinning uit hygiënisch en economisch oogpunt, is het noodzakelijk, over een zo nauwkeurig mogelijk beeld van de beschikbare hoeveelheden en kwaliteiten te beschikken. Eén van de daartoe nodige grondslagen is de kennis van de nuttige neerslag. Over de meting daarvan zal drs. Makkink ons een voordracht geven. Voorts zal ir. Beltman de meting van grondwaterstanden behandelen en ir. Santing de opstelling van grondwaterbalansen. Het is voorts duidelijk, dat onder de geschetste omstandigheden het maatschappelijk verkeer over de nodige rechtsregels zal moeten beschikken, die in omvang en belang hand over hand toenemen. Hieraan zal de voordracht van mr. Putto zijn gewijd.

Tenslotte zou ik bij het overdenken van de vele merkwaardige natuurverschijnselen, die wij beschouwden, U in herinnering willen brengen wat Job als vragen van zijn Heer vernam: ,,Waar waart ge, toen ik de aarde grondvestte? Wie heeft de zee achter deuren gesloten? Hebt gij ooit in Uw leven de morgen ontboden? Zee, land, licht, nacht, sneeuw, hagel, regen en zon en maan en sterren: welk aandeel heeft de mens erin?" Literatuur: 1. Prof. dr. Ph. H . Kuenen - De kringloop van het water (1948). 2. Egner en Eriksson - Current data on the chemica1 cornpositio?~ of air and precipitation. Telius, V11 (1955). 3. W . F . J . M . Krul, W . J. Jongmans en J. J . H . Vos - Waterwinning in Zuid-Limburg. Maastricht (1941).

Grondwater en plantengroei door ir. H . de Vries * 1. Inleiding Nederland verkeert met betrekking tot het grondwater in een merkwaardige positie. Er zijn weinig landen waarvan een zo groot deel van de oppervlakte cultuurgrond een grondwaterstand heeft, die op minder dan 2 m beneden het maaiveld ligt. Zulke situaties komen voornamelijk voor in rivierdelta's en laaggelegen vlakke rivierdalen. Het onderzoek van de Commissie Onderzoek Landbouwwaterhuishouding Nederland (C.O.L.N.) geeft een overzicht van de gemiddelde grondwaterstanden in zomer en winter. Daartoe zijn in ruim 20.000 grondwaterstandsbuizen gedurende 3 jaren waarnemingen gedaan. De resultaten zijn samengevat in tabel l. Een interpretatie van deze cijfers is niet zonder meer mogelijk. Een grondwaterstand kan landbouwkundig pas worden beoordeeld als men weet op welk bodemtype en bij welk grondgebruik deze grondwaterstand voorkomt Zo zal een zomergrondwaterstand van 50 cm beneden maaiveld voor grasland op veen in de zomer zeer goed kunnen zijn; een dergelijke grondwaterstand voor bouwland op klei is daarentegen veel te hoog. De waterhuishouding in de grond staat niet alleen in relatie met de gehele waterhuishouding, maar zij wordt ook beïnvloed door het gebruik van drinkwater en van water voor landbouw en industrie. Daarom zal hierop in het kort worden ingegaan. De waterhuishouding van ons land als geheel wordt zowel bepaald door regenval en verdamping als ook door het aangevoerde water van Rijn en Maas. Helaas kan men op de kwaliteit van dit water tot dusverre weinig invloed uitoefenen. Bovendien veroorzaakt de ligging aan de zee in het westen en noorden van het land het probleem van zoutbezwaren voor het oppervlaktewater en het grondwater. Het grondwater wordt op grote schaal gebruikt door waterleidingbedrijven en industrie en op minder spectaculaire wijze, maar nog op veel groter schaal door de landbouw. Volgens Biemond (1956) gebruiken de waterleidingbedrijven reeds 280 miljoen m3 grondwater, de in*Ingenieur bij de Cultuurtechnische Dienst, Utrecht.

TABEL 1 Oppervlaktepercentage van de grondwaterdiepteklassen per provincie Wintergrondwaterstanden i n cm beneden maaiveld Groningen Friesland Drenthe Overijssel Gelderland Utrecht Noordholland Zuid-Holland Zeeland Noord-Brabant Limburg Nederland

0-20 22 49 23 22 19 28 37 38 6 8 11 24

20-40 25 34 22 28 26 23 28 26 13 24 12 25

Zomergrondwaterstanden i n cm beneden maaiveld 0-20 20-40 40-70 70-100 100-140 140-200 Groningen O 7 25 38 25 Friesland 3 25 18 29 22 Drenthe 2 21 20 22 22 Overijssel 1 12 24 34 25 Gelderland O O 11 13 25 37 Utrecht 2 28 27 21 15 Noordholland 1 21 30 30 15 Zuid-Holland 1 23 26 24 24 O 1 5 11 31 44 Zeeland Noord-Brabant O 4 14 21 34 Limburg O 1 5 7 15 25 Nederland O 1 14 19 28 27

-

-

>

200 40-70 70-100 100-140 140-200 1 O 34 13 5 13 3 1 5 5 25 12 8 29 11 5 3 2 30 9 9 3 4 11 7 5 3 23 24 8 2 1 O 7 3 O 26 15 3 O 33 30 9 5 2 35 17 14 10 13 12 28 27 11 7 3 3

-

> 200 5 3 13 4 14

7

3 2 8 20 47 11

-

dustrie naar schatting ongeveer evenveel, doch de landbouw drukt zijn watergebruik reeds uit in miljarden mS per jaar. Volgens Herweijer en Van Rossum (1956) is de hoeveelheid benodigd suppletiewater in normale jaren reeds circa 2 miljard m3, doch in droge jaren belangrijk meer. Daar de belangen van de drinkwaterleidingbedrijven en de landbouw vaak tegenstrijdig waren, zijn conflicten niet uitgebleven. Gaandeweg is er meer en beter onderling overleg gekomen waarbij uitwisseling van kennis en gegevens plaats vond. Een belangrijk gebeuren is hierin geweest het in 1927 instellen van de Veluwe-Commissie, die tot taak had te onderzoeken welke invloed een wateronttrekking midden op de Veluwe op de landbouw en waterwinningen langs de Veluwerand zou hebben. In deze Commissie werkten deskundigen op het gebied van landbouw, bosbouw en waterwinning nauw samen. De Commissie concludeerde dat de gevolgen van een dergelijke waterwinning voor de landbouw en de watergebrui-

kende industrieën in de randgebieden schadelijk zou zijn, zodat men van deze waterwinning afzag. Hoewel de Commissie speciaal werd ingesteld voor het onderzoek van de Veluwe, werden ook andere vragen omtrent wateronttrekking aan deze Commissie gesteld. Er bleek dus behoefte aan een permanente Commissie te zijn. I n 1934 werd dan ook de Commissie inzake Wateronttrekking aan de Bodem (CoWaBo) ingesteld. Deze Commissie heeft in de loop der jaren in het bijzonder met betrekking tot Hinderwetsvergunningen voor waterleidingbedrijven een groot aantal adviezen uitgebracht. De Hinderwet is echter minder geschikt om de winning van grondwater te regelen en in 1955 werd dan ook de Grondwaterwet Waterleidingbedrijven in werking gesteld. De adviezen omtrent het verlenen van de vergunningen krachtens deze wet worden uitgebracht door een Commissie van deskundigen, die dezelfde samenstelling heeft als de CoWaBo. I n beide Commissies hebben zitting de Directeuren van het Rijksinstituut voor Drinkwatervoorziening, de Cultuurtechnische Dienst, het Staatsbosbeheer en het Instituut voor Cultuurtechniek en Waterhuishouding en de Hoofdingenieur-directeur van de Afdeling Waterhuishouding ter Directie van de Waterstaat. I n deze Commissie worden alle vestigingen en wijzigingen van waterwinningen voor de openbare drinkwatervoorziening beoordeeld. Vaak wordt de Commissie reeds vóór het indienen van een aanvraag geraadpleegd, opdat naar een oplossing kan worden gestreefd waarbij de uiteenlopende belangen zo goed mogelijk zijn gediend. Bekend zijn de vanouds tegenstrijdige belangen van de duinwaterleidingen en de tuinbouwbedrijven aan de voet van de duinen. Na de infiltratie van oppervlaktewater in de duinen is op veel plaatsen de toestand aanmerkelijk verbeterd. Ook elders in ons land, in het bijzonder in de oostelijke en zuidelijke zandprovincies, is van landbouwzijde soms ernstig bezwaar gemaakt tegen bepaalde waterwinningen. De bezwaren treden vooral op waar water wordt gewonnen uit betrekkelijk dunne zandpakketten aan de oppervlakte. In de Achterhoek en Twenthe is de watervoorziening moeilijk, omdat daar wateronttrekking op geringe diepte meestal een aanmerkelijke verlaging van het freatisch vlak veroorzaakt en waterwinning onder afdekkende lagen op de meeste plaatsen niet mogelijk is. Vroeger werd wellicht minder gewicht aan de toen nog geringe wateronttrekkingen geschonken, omdat in verschillende landbouwgebieden de gevolgen van de perio-

diek optredende wateroverlast schadelijker waren dan de droogteschade, die soms in de zomer optrad. Ook waren er andere factoren, zoals onvoldoende bemesting, die de produktie beperken. De vraag van de waterbehoefte kwam geleidelijk meer in de belangstelling van wetenschap en praktijk. Het is de bedoeling in het volgende na te gaan hoe de reactie van de landbouwgewassen op het bodemwater is en hoe het water zich gedraagt in dat gedeelte van de bodem, waarin zich de plantenwortels bevinden. 2. Het onderzoek naar de waterhuishouding in de land-

bouw Het is begrijpelijk, dat in een land met een zo grote oppervlakte laaggelegen gronden, die vroeger in de winter grotendeels onder water stonden, in de eerste plaats aandacht werd besteed aan de vraag hoe men het water moest kwijtraken. De getroffen maatregelen, bestaande uit het bemalen van polders, de aanleg van kanalen, sloten, greppels en drainagesystemen berustten zeer lange tijd geheel op praktische ervaring. De bij de ontwatering voorkomende stromingsproblemen werden onderzocht op het Bodemkundig Instituut te Groningen door dr. S . B. Hooghoudt (1936 en 1940) en zijn medewerkers. Hierbij werd voornamelijk onderzocht hoe het regenwater via de bodem naar sloten en drainbuizen wordt afgevoerd. Onder meer werd ook een methode ontwikkeld om de doorlatendheid van de bodem (kD-waarde) in situ te bepalen op soortgelijke wijze als dit geschiedt door middel van pompproeven op waterleidingputten. De bepaling is snel en eenvoudig, mede doordat het boorgat feitelijk als pompput en enige peilput dienst doet (Boumans, 1953). Het onderzoek op dit gebied wordt voortgezet aan het Instituut voor Cultuui~ techniek en Waterhuishouding te Wageningen. Met behulp van de ontwikkelde formules is voor duizenden hectares de vereiste afstand tussen de drainreeksen berekend. Er zijn nog verschillende kanten aan het ontwateringsprobleem die thans in onderzoek zijn. Men hanteert bij voorbeeld normen voor het af te voeren aantal millimeters water per dag en de gewenste diepte van het slootwater beneden maaiveld, die nog grotendeels aan de ervaring zijn ontleend. Door onderzoekingen tracht men de basis hiervoor te verstevigen. Tot dusverre behelpt men

TAX. HAVER 1953

ZOMERGRONDWATERSTAND

Afb. 1 Verband tussen zomergrondwaterstand en gemiddelde opbrengst haver op zandgrond 1953

zich daarbij vaak nog met berekeningen volgens stationaire stromingsvergelijkingen voor extreme gevallen, waarvan men aanneemt dat de kans op overschrijding gering is. Thans richt het onderzoek zich echter meer en meer op het frequentie-aspect. Voor het bepalen van gunstige grondwaterstanden voor verschillende gewassen maakt men wel gebruik van grondwaterstandsproefvelden. Op deze proefvelden zijn naast elkaar percelen met verschillende constante grondwaterstand ingericht. Ook door gewassentaxatie en meting van grondwaterstanden op verspreide proefplekken heeft men getracht het verband tussen bodemtype, grondwaterstand en opbrengst te vinden. Een voorbeeld van een dergelijk verband is gegeven in afb. 1, het resultaat van taxaties van proefplekken. Uit deze afbeelding, die geldt voor haver op zandgrond in 1953, valt af te leiden, dat de hoogste opbrengsten kunnen worden verwacht bij een zomergrondwaterdiepte van ca. 70 cm beneden maaiveld. Ondiepere en diepere grondwaterstanden kunnen een aanzienlijke opbrengstverrnindering geven, doch beneden een bepaalde diepte komt geen reactie van het gewas op de diepte van het freatisch vlak meer voor. Het freatisch vlak is dan zo diep, dat de wortels geen profijt meer hebben van wateraanvoer van uit het grondwater. Vergelijkt men dit met afb. 2, waarin is aangegeven hoe haver op kleigrond op een grondwaterstandsproefveld reageerde op de diepte van het grondwater, dan ziet men dat ook hier ondiepe

GEMIOOELOE OPBRENGST IN % VAN HET MAXIMUM. 100.

90. 80. 70.

Go50

____-----

/7 H----

CC-C#

t'

--- HAVER

40

TARWE

3020~ 1040

60

ZOMERGRONDWATERDIEPTE IN cm 90 120 150

Afb. 2 Verband tussen zomergrondwaterstand en gemiddelde opbrengst tussen 1946 en 1955 op proefveld van zware klei Nieuw Beerta (naar Van Hoorn, 1958).

grondwaterstanden tot opbrengstverlies leidden en dat diepe grondwaterstanden kennelijk gunstig waren. Het feit, dat curven voor zand en veen een duidelijk optimum vertonen en dat goede klei- en zavelgronden de hoogste opbrengsten hebben bij diepe grondwaterstanden is op de volgende wijze te verklaren. Bij ondiepe grondwaterstanden treden altijd opbrengstverminderingen op omdat de plantenwortels dan een tekort aan lucht krijgen. De wortels groeien dan ook niet in het grondwater. Het wortelstelsel kan zich dan niet goed ontwikkelen, omdat er maar een dunne laag grond voor de wortelontwikkeling beschikbaar is. Links van het optimum zijn de luchtvoorraad en de bewortelingsdiepte de beperkende factoren. Rechts van het optimum is er voldoende lucht, maar bij het zandprofiel is er dan blijkbaar niet voldoende water ter beschikking van de plant. Bij kleigrond is hiervoor geen aanwijzing. Hierop zal nog nader worden ingegaan. (Uit deze grafieken is dus ook de trend te zien die een verlaging van de grondwaterstand op de opbrengst heeft). Met deze kennis heeft men in grote gebieden de waterhuishouding aanmerkelijk weten te verbeteren, waarbij aanvankelijk het accent viel op de bestrijding van wateroverlast. Een voorloper van de Cultuurtechnische Dienst heette dan ook Rijksbureau voor Ontwatering. Later kreeg ook het feit, dat droogte grote verminderingen van de opbrengst kon veroorzaken, meer aandacht en vooral de droge jaren 1947 en 1949 hadden een sterk stimulerende invloed op het onderzoek en de maatrege-

MAAIVELD

oGRONDWATER 25 50 -

1953

1954

1955

Afb. 3 Diepte grondwater en slootpeil i n jonge Dollardklei (Stadspolder). (C.0.L.N.-rapport Groningen, 1958).

len op dit gebied. Ook 1959 vestigt in sterke mate de aandacht op de gevolgen van grote droogte voor landen tuinbouw. Behalve zandgronden bleken ook andere bodemtypen, zoals de komkleigronden en de Groningse knipkleigronden ernstige verdrogingsverschijnselen te kunnen vertonen. De jaren 1957 en 1958 toonden echter aan, dat ook aan de afvoer van overtollig water in sommige streken nog veel aandacht zal moeten worden besteed. Door het regelen van het peil van het oppervlaktewater kan ook de stand van het grondwater vaak worden beïnvloed. Dit heeft echter lang niet op alle bodemtypen hetzelfde effect, hetgeen blijkt uit de afbeeldingen 3 en 4. In afb. 3 is het verloop van de grondwaterstand en het verloop van de slootwaterstand gedurende een jaar weergegeven voor een polder in een kleigebied met een goede doorlatendheid. In afb. 4 is hetzelfde weergegeven voor een minder goed doorlatende lichte kleigrond. Hieruit blijkt, dat het niet overal eenvoudig is door middel van het slootpeil ook het grondwaterpeil te regelen (C.0.L.N.rapport, deel Groningen, 1958). 3. De aanwenigheid van opneembaar water boven het

freatisch vlak Plantenwortels ontwikkelen zich alleen in grond, waarin zowel vocht als lucht in voldoende mate aanwezig zijn. De groei is niet altijd uitsluitend afhankelijk van de diepte van het freatisch vlak. Om een beter inzicht te

MAAIVELD

01 GRONDWATER

SLOOTWATER

1952

1953

1954

Afb. 4 Diepte grondwater en slootpeil i n lichte zavelgrond (Leens) (C.O.L.N.-rapport Groningen, 1958).

verkrijgen in de waterhuishouding van het doorworteld profiel was studie nodig over verdamping, vochthoudendheid en capillair watertransport, zowel afzonderlijk als in hun samenhang met de beworteling. De verdamping

De koolzuurassimilatie, die afhankelijk is van de lichtintensiteit, kan zijn geremd indien de vochtvoorziening van de plant onvoldoende is. Hierbij zijn van belang de hoeveelheid water die voor de plant beschikbaar is en de hoeveelheid water die door verdamping aan de plant kan worden onttrokken. De atmosfeer heeft een zekere ,,verdampingskracht", die kan worden gemeten aan een verdampingsbak of door middel van een lysimeter. Ook is een aantal formules opgesteld waarmee de verdarnpingssnelheid van een wateroppervlak (E,) kan worden berekend. Vooral de formule van Penman heeft in ons land bekendheid gekregen. De verdamping wordt berekend uit de voor verdamping beschikbare energie en de afvoersnelheid van de gevormde waterdamp. E, is een functie van de straling, de windsnelheid en het verzadigingsdeficit. De verdamping van een gewas hangt samen met de aldus gemeten of berekende verdampingscijfers en is afhankelijk van de hoogte van het gewas en de mate van bedekking van de bodem. Bij optimale watervoorziening is de potentiële verdamping van het gewas E, evenredig

700-

600-

500-

JAN. FEBR. MRT. APR. MEI . .JUN. JUL. AUG. SEPT. OKT. ' NOV.

62 49 L2 51 57 58 74 82 71 73 74

LOO-

300-

200-

100-

/.I,,, /

/

/

__-- ,'/ d'

CC-'

0-

/ GCMIDDELDE VEROAMPING P t R MAAND

r

D

J

F

M

A

M

DEC. JAN. FEBR. MRT.

2 L 18 41

JUN. JUL. AUG. SEPT. OKT. NOV.

126 120 98 28 62 9

J

J

A

Afb.5 Gesommeerde regen-

val en verdamping (Penman) gemiddeld over 30 jaar (De Bilt). -regenval; - - - - - - verdanzping.

S

O

N

naar de aard van het gewas en naar het groeistadiu Gemiddeld wordt de E, voor bouwland lager geschat d die voor grasland. Dit, tezamen met het feit dat bouwlandgewassen ee omvangrijker en dieper wortelstelsel hebben en dat de groeiperiode van bouwlandgewassen korter is, maakt dat opbrengstverminderingen ten gevolge van droogte bij deze gewassen meestal kleiner blijven dan bij grasland. Het feit dat de produktie vrijwel evenredig is met de lichtintensiteit leidt tot hoge opbrengsten in zonneschijnrijke jaren, indien men ervoor kan zorgen, dat de watervoorziening niet de beperkende factor wordt. Rekent men, dat de gemiddelde jaarlijkse neerslag in Nederland ca. 720 mm is en dat de jaarlijkse potentiële verdamping van grasland ca. 580 mm bedraagt, dan zou er onder normale omstandigheden een wateroverschot van 140 mm per jaar zijn. In de wiqter is de verdamping echter zeer gering en in de zomer relatief groot. Ook in de regenval zijn nattere en drogere perioden te onderscheiden. Daarom overtreft in de zomer de potentiële verdamping de regenval en in de winter is er een duidelijk regenoverschot. I n de afbeeldingen 5 en 6 zijn respectievelijk voor een gemiddeld jaar en voor het jaar 1959 de regenval en de volgens Penmans formule bepaalde verdamping - in sommatiecurven - naast elkaar uitgezet. Beschouwt men zomer- en winterhalfjaar, dan komt men tot de in tabel 2 vermelde verschillen. I n de kritieke periode is er dus een tekort. Een gedeelte van het overschot in de winter wordt in de bodem vastgehouden, zodat het in de zomer door het gewas kan worden benut. Het is van belang na te gaan of deze hoeveelheid voldoende is om het zomertekort te dekken.

e vochthoudendheid van de bodem et voorgaande genoemde getallen voor de vergelden, als water in ruime mate aanwezig is. ntïèle verdamping van

'

Het water is echter in zekere mate aan de bodem gebonden en hoe minder water aanwezig is, des te moeilijker wordt het voor de planten het water aan de bodem te onttrekken. De toestand kan zo ongunstig worden, dat de plant verwelkt. Uit een vochtbepaling blijkt dan dat nog wel water aanwezig is, doch dit kan blijkbaar niet door de plant worden opgenomen. Dit water heeft voor de plant dus geen waarde. Er zijn veel laboratoriumproeven genomen over de ksachten die nodig zijn om het water aan de grond te onttrekken. Men noemt daarbij de spanning die nodig is om dit water vrij te maken wel ,,zuigspanning", omdat men bij dit onderzoek van zuigapparaten gebruik maakt. Deze spanningen worden soms uitgedrukt in atmosferen, maar vaker in het aantal centimeters waterdruk of in de logaritme van het laatste getal. Men noemt dit cijfer de PF. Een zuigspanning van 1000 cm waterkolom is dus gelijk aan pF 3. Het verband tussen vochtspanning en vochtgehalte van een grond, wordt vaak grafisch weergegeven in een vochtkarakteristiek. In afb. 7 is hiervan een voorbeeld gegeven voor een kleigrond, een zandgrond en een veengrond (Stolp en Westerhof, 1954). Deze curven kunnen voor verschillende gronden sterk van de hier gegeven voorbeelden afwijken. Enkele punten van de vochtkarakteristiek hebben een bijzondere betekenis. Bij zuigspanning O cm (PF-m) is het gehele poriënvolume met water gevuld. De punten op de horizontale as geven dus het poriënvolume aan.

----

ZAND

VOCHT

A f b . 7 Verband tussen vochtgehalte e n vochtspanning voor drie grondsoorten (naar Stolp en W e s t e r h o f , 1954).

.

-

VERZADIGINGC VOCHTGEHALTE

11

WATER VERWELKINGSPUNT

ZADIGDE GROND VOCHT VLOEIT NA WATERAANVOER AF NAAR CAPILLAIRE ZONE

BEWEEGL'JK WATER

CAPILLAIR WATER

-

1

VOCHTVOORRAAD VOOR PLANT IN DROGE T'JDEN EN DIEPE GRONDWATER STAND

-

HYGROSCOPISCH WATER

,VOCHTVERLIES BV...._ GLOEIEN

Afb. 8 De opneembaarheid van het bodemwater (naar Visser, 1954).

Een tweede veel gebruikte term is de ,,veldcapaciteitJ' of het ,,veldvochtgehalte'". In de definities van deze grootheid bestaat geen eenheid. In Nederland verstaat men hieronder het vochtgehalte van een grond, die na verzadiging met water enige tijd vrij heeft kunnen draineren. De tijdsduur van dit laatste proces is echter van doorslaggevende betekenis voor de gevonden waarden. Men kan in de praktijk rekenen, dat de grond ongeveer op veldcapaciteit is in februari, enkele dagen na de laatste regen. Over de vochtspanning bij veldcapaciteit vindt men in de literatuur ook verschillende cijfers (tussen pF 1,7 en pF 2,7). Vaak wordt de veldcapaciteit ook gedefinieerd als het vochtgehalte bij een bepaalde PF. In Nederland neemt men hiervoor vaak pF 2. Dit betekent een zuigspanning van 100 cm. Men zou dit kunnen aangeven als de zuigspanning in een waarnemingspunt 100 cm boven het freatisch niveau. Een derde belangrijk punt is het ,,verweZkingspercentage", het vochtgehalte, waarbij de planten de eerste tekenen van blijvende verwelking vertonen. Dit is bij een vochtspanning van 10-20 atm (PF 4,O-4,3). Dit cijfer is enigszins afhankelijk van het gewas, de dichtheid van het wortelstelsel en de snelheid, waarmee de uitdroging plaats heeft. Men kan nu aannemen dat in een grond waarin geen wateraanvoer uit het freatisch water plaats heeft, het vocht tussen de veldcapaciteit en het verwelkingspercentage door de plant kan worden opgenomen. In afb. 8 is schematisch weergegeven hoe het staat met de opneem-

baarheid en de beweeglijkheid van het water in de grond bij de verschillende PF-waarden. Het opneembare vocht in een profiel wordt vaak evenals regenval en verdamping uitgedrukt in millimeters, in dit geval per meter of decimeter profieldiepte. In tabel 3 zijn van enkele profieltypen het vochtgehalte bij veldcapaciteit (PF 2), bij het verwelkingspunt (PF 4,2), de daaruit volgende hoeveelheid beschikbaar vocht en het poriënvolume aangegeven (Stolp en Westerhof, 1954). TABEL 3

PoriënVochtgehalte in vol. OIO Beschikbaar volume Grondsoort bij pF2 bij pF4,2 in mm per m in OIO Zand (Westland) 2.0 67 41 Zand (Wageningen) 18,O 6,8 112 40 Klei (Westland) 36,5 21,5 150 44 Klei (Bovenkarspel) 43,O 29,O 140 54 Veen (Westland) 39,O 20,O 190 66 Anjer tabletgrond (Aalsmeer) 28,5 6,2 223

De hoeveelheid beschikbaar vocht is dus sterk afhankelijk van de grondsoort. Bovendien zijn de profielen gewoonlijk niet homogeen, zodat de hoeveelheid beschikbaar vocht met de diepte varieert. Dit is weergegeven in afb. 9, die betrekking heeft op 2 middelhoge zandontginningsgronden. De linkse heeft echter op 20 cm beneden het maaiveld een loodzandlaag en daaronder een oerbank van 10 cm dikte. Kennelijk is van deze grond de hoeveelheid beschikbaar vocht veel geringer dan van de grond in het rechtse deel van de afbeelding. In de laatstgenoemde grond, die iets lemig is, is de vochtvoorraad veel groter en over een grotere diepte verdeeld. Deze VOL % JFER

90 100 U CIJF 115

77

80

Afb 9. Vochtverdeling in twee profielen middelhoge-zandontginningsgrond (Westerwolde). Schuin gearceerd: niet opneembaar; horizontaal gearceerd: opneembaar.

34

grond is dan ook veel minder gevoelig voor droogte dan die van de linkse afbeelding. Tot dusverre is gesproken over de hoeveelheid ,,beschikbaar" vocht. Hoeveel water de plant werkelijk opneemt, hangt bovendien af van de ontwikkeling van het wortelstelsel. Hierbij speelt de dichtheid en de diepte van de beworteling een rol. Bij de meeste akkerbouwgewassen is de bewortelingsdiepte onder gunstige omstandigheden ongeveer 1,20 m. Aardappelen wortelen minder diep, zij bereiken een wortellengte tot ongeveer 1 m. Grassen en tuinbouwgewassen wortelen meestal minder diep. Bij grassen kan men als grens ongeveer 0,40 m rekenen. Daarbij dient men in acht te nemen, dat plantenwortels zich onder ongunstige omstandigheden, zoals in zure of verdichte lagen, slechts beperkt ontwikkelen. Volgens Wesseling (1957) kan men rekenen, dat de éénjarige landbouwgewassen ongeveer 50% van het beschikbare vocht uit het profiel kunnen opnemen. Grasland doorwortelt de bovenlagen echter zeer dicht en ka9 de grond waarschijnlijk over een diepte van ca. 40 cm vrijwel tot het verwelkingcpunt uitputten. Uit de hierboven vermelde eigenschappen omtrent de vochthoudendheid is het verschil in reactie tussen een kleigrond en een zandgrond in drogere perioden beter te begrijpen. Met de tegenwoordige kennis kan men zich ook wagen aan kwantitatieve beschouwingen over verdrogingskansen en benodigde hoeveelheden water. Voor dergelijke beschouwingen maakt men gebruik van een waterbalans. Een voorbeeld hiervan is gegeven in tabel 4, waarin een zandgrond en een kleigrond zijn vergeleken. Hierbij kan geen water door capillaire opstijging de planten bereiken. TABEL 4

Waterbalans

- in mm - voor een kleigrond en een zandgrond

gedurende de periode mei tlm augustus (naar Van den Berg, 1958) Normaal jaar 1947 klei zand klei zand Nodig voor optimale verdamping 380 380 480 480 Regenval 250 250 170 170 Vochtinhoud gemiddeld profiel Tekort

130

130

310

310

1160

60

160

60

70

150

250

Uit deze balans blijkt, dat een kleigrond onder normale omstandigheden over voldoende water beschikt om de gewassen van water te voorzien. In droge jaren zullen echter ook kleigronden een watertekort kunnen hebben. Zandgronden hebben vaak een onvoldoende watercapaciteit om gedurende het gehele groeiseizoen de planten van water te kunnen voorzien. Slibhoudende en humusrijke gronden zijn beter vochthoudend dan de in tabel 4 gekozen zandgrond. Om zeker te zijn van een zo groot mogelijke opbrengst zou men water aan het profiel moeten toevoeren. Dit kan door capillaire aanvoer uit het freatisch vlak en door kunstmatige beregening.

Watertoevoer door capillaire opstgging Beschouwt men nogmaals de curve uit afb. 1, dan is te zien, dat in het rechtse, horizontale deel van de curve van invloed van het grondwater geen sprake meer is. Er is duidelijk optimum in de curve. Er bestaat dus een grondwaterstand, die een optimale waterlevering voor het gewas betekent. Het min of meer natuurlijk watertekort van het zandgrondprofiel wordt daarbij aangevuld door opstijgend capillair water. Aan deze capillaire opstijging zijn afzonderlijke studies gewijd. Vroeger maakte men zich hierover wel eens te optimistische voorstellingen. Er is natuurlijk een parallel met de opstijging in capillaire buisjes, maar bij grond, die uit kleine en grote deeltjes en aggregaten bestaat en die dus nooit regelmatig is, is de werkelijke toestand iets gecompliceerder. Als algemeen geldend kan men zeggen, dat de maximale stijghoogte gering is bij grove deeltjes - grove zandgronden - doch dat daarbij de stijgsnelheid en de verplaatste hoeveelheid water vrij groot is. Bij zeer kleine gronddeeltjes - kleigronden - is de maximale capillaire stijghoogte groot, maar de stijgsnelheid daarbij en de verplaatste hoeveelheid water zijn geringer. Theoretisch bedraagt in kleigronden de maximale stijghoogte soms vele meters. De tijd om deze hoogte te bereiken is echter zo lang dat dit voor de planten van geen enkel nut is. Uit de waterbalans - de vergelijking van regenval, verdamping en vochtinhoud van het profiel - is op te maken, dat op het moment dat het reservevocht opraakt een zekere hoeveelheid water per dag moet worden aangevuld om stagnatie in de groei te voorkomen en de verdamping te kunnen laten doorgaan. Voor de verplaatsing van water in niet met water verzadigde grond gelden wetten, analoog aan de wet van

HOOGTE BOVEN FREATISCH VLAK IN cm 120-

80

40-

Afb. 10 Capillaire wateraan-

voer in cmletm in verband met de afstand tot het freatisch vlak en de vochtspanning in cm (Wesseling, 1957).

Y 0

10

fo2

n

.. a

a

,ïo3

8

8

,

.

VOCHTSPANNING IN cm

Darcy. De doorlatendheid is hierbij echter niet constant, doch deze wordt geringer bij afnemend vochtgehalte. In afb. 10 is weergegeven de capillaire wateraanvoer in cm/etmaal tot verschillende hoogten boven het freatisch vlak onder invloed van de vochtspanning. Uit deze afbeelding blijkt, dat in het gebied van de in de zomer voorkomende vochtspanningen (PF 2-pF 4) nog 2 a 3 mm vocht per etmaal tot 50 cm boven het freatisch vlak kan worden aangevoerd. Op droge dagen wordt meer dan 4 mm water verdampt, deze hoeveelheid kan alleen tot minder dan 40 cm boven het freatisch vlak worden aangevoerd. 4. Regeling van het grondwaterpeil In de poldergebieden wordt reeds lang het slootwaterpeil op bepaalde hoogten ingesteld. Tegenwoordig is meer bekend over de meest gewenste grondwaterstand, over het verband tussen grondwaterstand en slootwaterstand en over de eigenschappen van verschillende bodemtypen. Hierdoor is het beter mogelijk geworden het meest gewenste peil voor elk deel van het terrein te bepalen. I n hoeverre men maatregelen zal treffen om dit gewenste peil te realiseren is vaak een kwestie van de te verwachten kosten en baten. Bovendien moet er genoeg water van voldoende kwaliteit zijn om in de zomer de sloten op het gewenste peil te brengen. In grote delen van het polderland heeft men voor de ontwatering op het bouwland drainbuizen gelegd. Op enkele plaatsen maakt men ook

van buizen gebruik ten dienste van de infiltratie. In de poldergebieden bestaat dus reeds een langdurige ervaring op het gebied van de regeling van slootwater- en grondwaterpeil. I n de laatste jaren is door wetenschappelijk onderzoek de gelegenheid geopend hierbij nog meer rekening te houden met de plaatselijke omstandigheden. Daarbij is te bedenken, dat in de kleipolders het verband tussen grondwaterdiepte en opbrengst een breed optimum vertoont, waardoor enige afwijking van de optimale grondwaterdiepte geen grote opbrengstvermindering teweeg brengt. In de zandgebieden is de toestand minder gunstig. De hoogteverschillen in het terrein zijn hier groter, er is gewoonlijk geen eenvoudige waterinlaat mogelijk en de gronden zijn op zichzelf gevoeliger voor droogte. Bovendien veroorzaakt de hydrologische situatie vaak grote verschillen in grondwaterdiepte tussen zomer en winter. In het voorgaande is reeds erop gewezen, dat juist bij de meeste zandgronden de som van de neerslag en het in de wortelzone beschikbare water niet voldoende is om de verdamping van het gewas in de groeiperiode te verzorgen. Een aanvulling van water uit de capillaire zone is dus wenselijk. Een mogelijkheid zou liggen in het regelen van het peil van de beken, voorzover deze voldoende water afvoeren. Het effect van dit stuwen is afhankelijk van de bodemeigenschappen tot een geruime diepte, omdat ook diepere lagen bij de stroming zijn betrokken. In afb. 11is het berekende effect weergegeven van een plotselinge peilverhoging van 1 m van de Aa in Noord-Brabant (Ernst 1958). Hieruit blijkt, dat de voortplanting van een grondwaterstandsverandering slechts langzaam verloopt. Uit de waarnemingen bleek, dat na 45 dagen op lVERHOGING PEIL IN m

Afb. 11 Waterschap ,,Stroomgebied v a n de Au". Voortplanting in de grond v a n een plotselinge peilverhoging i n de Aa (naar Ernst). k D = 700 m4/dag; intreeweerstand = 0,15 dagenlm; bergend vermogen = 0,25; capillaire opstijging C = 0.

200 m afstand van de beek het effect nog 25%, op 500 m nog 20% was. Om een voldoend nuttig effect te krijgen moet men meestal vroeger gaan stuwen. De hoogteligging van het terrein is zeer belangrijk. Bij grote verschillen in maaiveldshoogte is het slechts voor een kleine oppervlakte mogelijk van een optimale watervoorziening te profiteren. Door egalisatie kan de toestand worden verbeterd, maar dit middel is kostbaar en men moet dus terdege nagaan hoe hoog de kosten zijn in vergelijking tot de te verwachten baten. 5. De beperking van de droogteschade op zandgronden De droogteschade, ontstaan door het watertekort op de zandgronden kan in principe worden bestreden door wateraanvoer en door aanpassing van het bedrijfssysteem aan de droge omstandigheden. Laatstgenoemde methode uit zich op de droge zandgronden reeds in de gewassenkeuze. Op droge gronden is de oppervlakte weinig vocht eisende granen dan ook groot. I n deze richting is echter nog meer te bereiken, ook op de gemengde bedrijven, waar men doos wisselbouw en kunstweidesystemen de schadelijke gevolgen van het watertekort kan beperken. Dit soort maatregelen vereist geringe investeringen doch stelt hoge eisen aan kennis en ondernemingsgeest van de individuele boer. Bij aanvoer van water naar droge gronden kan infiltratie en beregening worden toegepast. Of de genoemde maatregelen voor toepassing in aanmerking komen en welke methode wordt gekozen is sterk van de plaatselijke omstandigheden afhankelijk. Daarbij spelen naast economische, ook hydrologische, technische en sociale vraagstukken een rol. Van het gehele complex van vraagstukken kunnen hier slechts enkele worden aangestipt. Men kan denken aan maatregelen voor een gehele streek of aan maatregelen per bedrijf. Voor infiltratie komen in aanmerking grote, tamelijk vlak liggende gebieden met geringe ondergrondse afvoer. Hoe groter het object, des te kleiner de randverliezen. Beregening kan men toepassen op het individuele bedrijf en in coöperatief verband. Voor eerstgenoemde werkwijze is een zekere minimale bedrijfsgrootte noodzakelijk; bovendien moeten de kavels aaneengesloten liggen. Verder vereist ook het hanteren van de installatie vrij veel kennis en arbeid. Voor alle methoden van wateraanvoer geldt, dat de hoge kosten moeten worden goedgemaakt door de baten. Daartoe is intensivering op het bedrijf nodig. Op grasland betekent dit meer koeien per h a te houden, dus

meer koeien melken en verzorgen en grotere benodigde stalruimte. Op bouwland moet een ander bouwplan worden gekozen met gewassen die meer opbrengen en vaak meer arbeid vereisen. Dit alles stelt hoge eisen aan de capaciteiten van de boer als bedrijfsleider. Bij coöperatieve beregening op grotere schaal kan men een gedeelte van het extra werk opvangen door het aanstellen van een regenmeester. Bij infiltratie op grote schaal kan de waterverdeling ook aan een specialist van het waterschap worden overgelaten. Bij kunstmatige beregening wordt thans het water vaak door middel van pompputten aan de ondergrond onttrokken. Wanneer dit op grote schaal gebeurt, kan dit in aangrenzende, niet verdrogende gebieden aanleiding geven tot schadelijke dalingen van de grondwaterstand. Tot dusverre is er nog weinig reden om aan te nemen, dat bepaalde gebieden hiermee reeds thans wordt bedreigd. In Noord-Brabant, Noord-Limburg en het Rijk van Nijmegen zijn ongeveer 350 regeninstallaties op landbouwbedrijven in gebruik, die tezamen ongeveer 3000 h a beregenen. In het oosten en noorden van ons land wordt beregening weinig toegepast. De toeneming van de beregening is nog steeds langzaam, hetgeen voornamelijk is te wijten aan de grote arbeidsbehoefte en kapitaalbehoefte voor dit soort bedrijf, de lage prijzen van landbouwprodukten en de slechte verkaveling van de bouwlandzandgronden. Het watergebruik is bepaald nog niet verontrustend. I n het matig droge jaar 1955 werd door de genoemde installaties ongeveer 2,3 miljoen m3 water gebruikt. Dit was vrijwel geheel grondwater (Baars 1957). Hoe het watergebruik in de landbouw zich in de toekomst zal gaan ontwikkelen is zeer moeilijk te voorspellen. De technische mogelijkheden lijken niet ongunstig in verband met de aanwezigheid van het reeds bestaande zoetwaterbekken, het IJsselmeer en de toekomstige zoetwatervoorraad in het Deltagebied. Veel zal echter afhangen van de plaats, die de Nederlandse landbouw zal gaan innemen in het economisch geïntegreerde Europa. Literatuur C. Baars - Landbouwkundig Tijdschr. 69 (1957) (12) 1009. C. van den Berg - Med. 1 Inst. v. Cultuurtechniek e n Waterhuishouding (1958). C. Biemond - Water 40 (1956) (7) 79. J. H. Boumans - Landbouwkundig Tijdschr. 65 (1953) (213) 82. Comm. Onderzoek Landbouwwaterhuishouding Nederland T.N.O. - Rapport (1958), 12 delen.

L. F. Ernst - Verslag Med. Comm. Hydrologisch Onderzoek T.N.O. (1958)(3) 52. S. B. oog houdt - Versl. Landbouwk. Onderz., nr 42 B (1936). S. B. Hoocrhoudt - Versl. Landbouwk. Onderz.. nr 46 B (1940). . , J. W. van-~oorn- Agric. Sci. 6 (1958)1. D. W. Stolp en J. J. Westerhof - Cultuurtechniek. Uitg.: Min. v. Landbouw, Visserij en Voedselvoorziening (1954). W. C. Visser e.a. - De waterbeheersing in de Ver. Staten, hfdst. 11. Uitg.: Contactgroep Opvoering Productiviteit (1954). J. Wesseling - Versl. Landbouwk. Onderz., n r 63.5 (1957).

Lysimeters door drs. G. F. Makkink

1. Inleiding

I n het raam van deze cursus over het grondwater gaat onze interesse onder meer uit naar de aanvulling van het grondwater enerzijds en de onttrekking van het grondwater door natuurlijke krachten anderzijds. De aanvulling die in de meeste gevallen van de neerslag komt, heeft een aantal facetten: de snelheid ervan in verband met de weerstand en de vochtvulling van de grond, de kwaliteit van het aanvullingswater en de hoeveelheid ervan. Bij het lysimeteronderzoek speelt de snelheid van de percolatie nauwelijks een rol, daarover zal ik dan ook niet spreken. Over de kwaliteit en kwaliteitsverandering van het aanvullingswater spreekt prof. Baars. De hoeveelheid van het afzakkende water is het onderwerp van het lysimeteronderzoek dat zal worden besproken. Van het afzakkende neerslagwater wordt door de verdampende krachten van de atmosfeer en door de begroeiing een tol geheven. De numerieke hoeveelheid hiervan is een belangrijk onderwerp van lysimeteronderzoek. De onttrekking van het grondwater is het gevolg van de zojuist genoemde krachten van atmosfeer en plantengroei, tenminste voorzover de neerslag niet voldoende is om daaraan tegemoet te komen. Deze suppletie van water uit het grondwater, de capillaire qstuging, is nog maar kort in onderzoek. Bij het lysimeteronderzoek had dit onderwerp tot dusver weinig aandacht en het kon met de gebruikelijke lysimeters niet worden onderzocht. Bij het lysimeteronderzoek gaat het dus in hoofdzaak om dat deel van de neerslag dat door verdamping niet aan het grondwater ten goede kan komen. Dit wordt daarom door de civiel-ingenieurs als verloren neerslag beschouwd, tegenover de nuttige, die zich bij het grondwater voegt. Wetenschapweliik Hoofdambtenaar bii h e t Instituut voor Biologisch en scheikundig Onderzoek van ~ & d b o u w g e w a s s e n t e Wageningen en Technisch Secretaris van d e Werkgroep Lysimeters T.N.O.

b. De structuur van de grond (doorlatendheid) moet dezelfde zijn als in het veld. Bij ingevulde lysimeters duurt het soms jaren voordat de oorspronkelijke pakking is bereikt. c. De grondwaterstand in de lysimeter moet hetzelfde verloop hebben als in het veld. Bij lysimeters met vrije afloop moet het zuigspanningsverval in de bewortelde zone gelijk zijn aan dat in het veld. Bij een niet onderbroken grondkolom zakt het water omlaag tot het in capillair evenwicht is, dat wordt bepaald door de diepte van het grondwater. Bij een wel onderbroken grondkolom werkt het benedeneind als grondwaterstandsniveau. Hier kunnen de capillairen immers zo hoog gevuld zijn als de menisci in staat zijn een waterkolom van de corresponderende lengte te dragen. Gedurende enige tijd vóór en n a de perioden, dat drainagewater uittreedt is de waterhoeveelheid in de grond dus groter dan bij vrije drainage. In tijden van droogte echter kleiner. d. De temperatuursgradiënt moet normaal zijn. Anders is het vervoer van water als damp en als water (de oppervlaktespanning is bij hogere temperatuur kleiner) eveneens afwijkend. Dit beïnvloedt de waterhuishouding (Socheuanov 1939, Penman en Schofield 1941). Wanneer men de optredende afwijkingen in het waterverbruik kan schatten of bepalen zijn de onvolkomenheden van de lysimeter aanvaardbaar. Dit is echter meestal niet het geval. Men moet dus streven naar de grootst mogelijke benadering van de veldomstandigheden. Vele lysimeters voldoen niet aan de gestelde eisen en hun uitkomsten zijn dan ook niet representatief, noch voor de grond en de vegetatie, noch voor de reactie op de weersomstandigheden. Veel gegevens in de literatuur zijn dan ook niet bruikbaar. Voor een lysimeter kan men een waterbalans opstellen voor een bepaalde periode. Zijn vergelijking is: R+I=D+E+dV (1) waarin R de neerslag voorstelt eventueel vermeerderd met kunstmatige beregening, I de infiltratie van onderen, D de drainage, E de evapotranspiratie en dV de verandering van de grondvochtvoorraad (de bovengrondse afvloeiing is hier gemakshalve weggelaten). Voor de vaste lysimeters, die dus niet kunnen worden gewogen, komen E en dV als onbekenden in de vergelijking voor en kan men E dus niet te weten komen. Neemt men de periode echter tussen 2 ogenblikken dat de grond dezelfde vochtvoorraad bevat, dan is de term AV = O en

is E te berekenen. Een jaarcyclus die aan deze eis voldoet noemt men een hydrologisch jaar. Het beste kiest men deze momenten in een regenrijk land als Nederland op het eind van de winter, dus 1 april of 1 maart van opvolgende jaren. In aride gebieden zou men de datums op het eind van de droge tijd kunnen kiezen. Het is echter ook mogelijk tussentijdse perioden te kiezen, dus ogenblikken dat er voor het eerst n a een pauze drainage optreedt. Dit doet zich echter gewoonlijk alleen voor bij lysimeters die niet zijn begroeid. Doet het zich bij begroeide voor, dan is de grond meestal niet geheel vol. In de zomer nl. kan een deel van een regenbui al uittreden, voordat de grond op veldcapaciteit is. Dit kan het gevolg zijn van wortelgangen en krimpscheuren, waarlangs het water een weg vindt. Deze zg. natuurlijke drainperioden (Penman en Schofield 1941) hebben alleen nut voor onbegroeide lysimeters en voor met kort gras begroeide lysirneters met zandgrond (Makkink 1959). Om dus van de overige lysimeters meer dan één cijfer per jaar te kunnen krijgen moet men ze kunnen wegen of op een andere manier de vochtvoorraad kunnen meten (bv. elektrisch of met radio-actieve straling). 4. Verschillende typen De lysimeters kunnen worden getypeerd volgens de volgende gezichtspunten : 1. zijwand of geen zijwand (zonder zijwand zijn het geen echte lysimeters) ; 2. ongestoorde of gestoorde grond; 3. vrije waterafloop of waterstandsregime; 4. begroeid of onbegroeid; 5. begroeiing continu met omgeving of niet; 6. weegbaar of niet; 7. vochtmeting laagsgewijs mogelijk of niet; 8. opvangmogelijkheid voor afvloeiend oppervlakte-water; 9. uitoefening van een zuigkracht aan de bodem van de lysimeter al of niet mogelijk; 10. afmetingen; 11. met uitgebreider instrumentarium dan een grondregenmeter of zonder. De Nederlandse lysimeters zijn door Wind (1958) beschreven. Ik verwijs voor bijzonderheden en de technische tekeningen naar die publikatie. De 8 Groningse van het Instituut voor Bodemvruchtbaarheid hebben het bezwaar dat ze vlak bij gebouwen

liggen, boven op de grond zijn gebouwd en van een kooi tegen vogels zijn voorzien. Van de 5 lysimeters van de Gemeentewaterleiding van Amsterdam in de duinen zijn er twee ongewoon diep (5 m), de andere 1,25 m. Ze hebben een schaarse duinvegetatie. De 4 lysimeters van Rijnland te Oude-Wetering liggen wat te dicht bij de gebouwen. Twee zijn met bolgewassen beteeld, twee met blijvend gras. Van elk paar heeft er één een grondwaterstand. De 4 grote lysimeters van het Provinciaal Waterleidingbedrijf Noordholland in de duinen te Castricum zijn 25 m X 25 m en zijn 2,50 m diep. Toch zijn ze voor het erop groeiende dennen- resp. loofbos eigenlijk nog niet diep genoeg, want in droge perioden. is de waterhuishouding slechter dan in de vrije duingrond. De derde draagt een duinvegetatie met duindoorns, de vierde is kaal. De 4 drainagelysimetervakken in de Rottegatspolder van de Rijkswaterstaat zijn ook 25 m X 25 m. De grondwaterstand wordt op -80 c,m gehouden. Ze worden als deel van een perceel van 1,5 h a met de aangrenzende percelen als één geheel bebouwd. De 32 lysimeters met gras van het Instituut voor Cultuurtechniek en Waterhuishouding in Wageningen (afb. 1),-zijn de enige waarin de grond ongestoord is ingebracht (zg. monolithen). De meeste hebben een waterstandsregime. Ze zijn weegbaar. Ze hebben het bezwaar dat het gras erop door een zone van 16 cm van het omringende gras is gescheiden. Door deze gaping ontvangt vooral hoog gras extra straling en ondergaat meer ventilatie, waardoor de verdamping wordt vergroot. Een invloed van het onbedekte kelderdak kon niet worden vastgesteld. Te Heelsum heeft het I.C.W. een serie van 30 nieuwe, vaste lysimeters aange-

Afb. 1 Lysimeters te Wageningen. Iemand is bezig met wegen. Aan elke lysimeter ziet men 6 hengsels; midden in elke lysimeter staat een tensimeter

Afb. 2 Lysimeter in het Waldai-gebied (Sovjet Unie). 1 ringvormige d r ~ v e r ,2 drgver met toestel voor het registreren van de inzinking, 3 standaanwijzer, 4 buizen voor drainwater, 5 drainwatervat, 6 afvloeiwatervat, 7 peilmeter (naar Popoff 1959)

legd die nog niet in gebruik zijn. Vroeger zijn er vaste lysimeters geweest te Den Haag en te Wageningen en weegbare (verrijdbare tanks) te Stroe. Van de buitenlandse lysimeters wil ik enkele bijzondere typen noemen. a. De lysimeter in het Waldai-gebied (USSR) is een monolith met een oppervlak van 5 mZ en een diepte van 2 m. De lysimeter wordt door een holle ring, die ondergronds in een ringvormige bak drijft (afb. 2), op zijn plaats gehouden. De meting van het gewicht is zeer nauwkeurig, doordat de- inzinking tot op 0,01 mm kan worden gemeten. Het gewicht van de grond is 18 ton. De nauwkeurigheid gaat tot op 0,01 mm neerslag. Kleinere van 0,2 mZen 1,2- 1,5 m diepte zijn in de buurt aanwezig (Popoff 1959). Zulke drijvende lysimeters zijn ook aanwezig in Amerika. b. De 3 lysimeters te Coshocton (Ohio) zijn ruim 8 mP groot en 2,4 m diep (afb. 3). Ze zijn om een grondblok gebouwd, leisteen inbegrepen. De wegingen worden geregistreerd. Ze liggen op een helling in een normale akker. Het water dat langs het hellend oppervlak afloopt wordt gemeten (Kohnke, Dreibelbis en Daviäson 1940). c. Lysimeters te Wellesbourne, Engeland. Deze zijn zeer eenvoudig en goedkoop. De grootte varieert van 44 cm2 bij 12,5 cm tot 6 dmz bij 75 cm. Ze worden in een iets wijder vat geplaatst waarin het drainwater uitlekt. Door uittillen kunnen ze worden gewogen (Winter, Salter en Stanhiil 1959). De lysimeters volgens Popoff zijn hiervan een variant:

Afb. 3 , Lysimeters te Coshocton (Ohio). 1 registreertoestel voor het gewicht, 2 vat voor drainwater, 3 vat voor afvloeiwater, 4 registreerinstrumenten (naar Kohnke, Dreibelbis & Davidson 1940)

Ze dienen voor ongestoorde kale grond. Ze zijn 25 cm diep en zijn steeds in paren aanwezig. Beide hebben een bodem van fijn gaas. De ene staat boven een opvangtrechter voor drainwater, de andere staat via het gaas in contact met de ondergrond. Beide worden dagelijks gewogen en dagelijks van plaats verwisseld. Om de andere dag is er dus weer contact met de ondergrond. Zo hoopt men de fout die ontstaat doordat de grondkolommen zijn afgesneden, op te heffen (Schubach 1952). e. De evapotranspirometers volgens Thornthwaite zijn bakken met een lichte grond waarop gras staat dat kort wordt gehouden. Watergebrek voorkomt men door de waterstand op -60 cm te houden. Er omheen wordt een stuk terrein ook goed van water voorzien en gelijk behandeld. Men meet toevoer en afvoer en berekent voor korte perioden het optimale waterverbruik (de potentiële evapotranspiratie). De vochtvoorraad in de grond wordt constant ondersteld. Ze hebben een klimatologisch doel: de potentiële evapotranspiratie van kort gras is nl. evenredig met de verdamping van vrij water. Ze zijn op vele plaatsen voorhanden (Sanderson 1948). f. De 6 ,,lysimeters9' te Garsweiler (Duitsland) zijn van het Ebermayer-model, d.w.z. ze hebben geen zijwand (afb. 4). Het zijn trechters van 1 m" oppervlak met een kraag van 80 cm hoogte, met hun bodem op 3, 6, 9, 12, 15 en 18 m diepte in lössgrond. Ze zijn pas lysimeters zodra blijkt dat er geen water naar buiten verdwijnt of van buiten binnenkomt. De kraag op de trechter dient om die horizontale vochtverplaatsing te voorkomen (Prenk 1959).

,

,

Afb. 4 Lysimeters te Garzweiler. Schacht met opvangtrechters (naar Prenk 1959) \

g. Wallihan (1940) had in een kas 4 lysimeters waarin in de bodem een poreus aarden potje is bevestigd dat in verbinding staat met een zuigkolf en een manometer. Men kan zo een bepaalde capillaire zuigkrachtsgradiënt instellen. 5. De lysimeterformule

Men is gewoon voor een lysinleter of een stroomgebied de drainage (afvoer) D uit te zetten tegen de regenval R (resp. R + I) van hydrologische jaren. Men krijgt dan een stippenzwerm (afb. 5 en 6) waardoor men gewoonlijk een rechte regressielijn trekt. Hiervoor geldt: D=a(R+I)-b (2) waarin a en b constanten voorstellen (afb. 7). Gewoonlijk vermeldt men ook de grootheid x,, de hoeveelheid regen die minimaal nodig is om drainage te krijgen. x = -b Voor x, geldt: (3) O a Uit (2) en (3) volgt nu: D = a (R I-x,). (4) Wij weten, dat volgens de waterbalansvergelijking (1) en omdat in eén hydrologisch jaar AV = O R + I gelijk is aan D + E.

+

D

Castricum

rnm

/

1943 -1956

D 0.94 R - 151 mm x, :162 mm

/*

500 -

*'.

x

/'

I

500

1000

mm

R

A f b . 5 Drainwaterhoeveelheid uitgezet tegen regenhoeveelheid t e Castricum (onbegroeide lysimeter). Jaarcijfers maart-februari (naar Wind 1958)

D mm

500

GRONINGEN

1919/'57

A oordappelen

.

v haver

-

kale grond

x winter- + z. tarwe o gras + w. klaver o overige gewossen

I

O

I

I

I

X

500

l000 mm R

A f b . 6 Drainwaterhoeveelheid uitgezet tegen regenhoeveelheid t e Groningen gemiddelde v a n lysimeters 5 tot 8). Jaarcijfers maartfebruari (naar gegevens v a n Wind 1958). De lijn die het best aan de punten beantwoordt zou steiler staan dan de getekende lijn, die evenwijdig is aan de bissectrix. Dit is niet mogelijk. Door de punten zou een reeks lijnen moeten worden getrokken: voor elk gewas één. De hellingen hiervan zijn echter uit de gegevens niet a f t e leiden

Afb. 7 Verband tussen drain infiltratie en regenval van hydrologische jaren

+

Afb. 8 Verband tussen verdamping en regenval infiltratie vnn hydrologische jaren

+

I n afb. 7 stelt de bisectrix dus de toeneming van D $. E met toenemende R I voor. De ordinaat tussen beide lijnen geeft de grootte van E aan. Het is van belang in

+

te zien dat b de hoeveelheid water voorstelt die, zelfs als er geen regen valt, toch nog kan verdampen, omdat deze door de grond wordt geleverd. Het deel van de verdamping beneden de abscis geeft dus aan hoeveel water aan de grond wordt onttrokken. Een ander punt van belang is dat de spreiding van de punten rond de regressielijn als regel groot is, zodat b, x,, en a meestal grote standaardafwijkingen hebben. Wij willen nu ook de tegenhangende grafiek bekijken, nl. die welke ontstaat als de verdamping (E) tegen R + I wordt afgezet (afb. 8). Nu is E=c(R+I) + b (5) Omdat c = p/x, en p = x, - b (zie afb. 8), is c=l-a (6) De bissectrix stelt volgens de waterbalansvergelijking D. Tussen beide lijvoor de punten met de waarde E nen ligt als ordinaat de waarde van D. Links van hun snijpunt is D negatief: het water wordt aan de grond enttrokken. Aan de hand van deze grafiek is het gemakkelijker duidelijk te maken dat de regressielijn uit de vorige afbeelding evenals uit deze, theoretisch niet recht is, maar krom. In de eerste plaats is het nl. zonder meer duidelijk dat E een maximum bereikt dat door het klimaat I ter plaatse wordt bepaald. De lijn gaat bij grote R dus evenwijdig lopen aan de abscis. Ten tweede is de waarde die men bij de meeste lysimeters voor b vindt zo groot, dat dit water zelfs bij diepe beworteling van het gewas, niet aan de grond kan worden onttrokken. Naar

+

+

de Y-as toe kromt zich dus de lijn naar een lagere waarde van b. Ten derde weet men dat de verdamping van vrij water binnen elk jaar als een sinuslijn verloopt met zijn top in juni en een dal in december (afb. 9). De regenval heeft een grilliger verloop, dat echter in zeer droge jaren en in zeer natte niet veel verschilt behalve in niveau. In elk geval blijkt dat in de winter een neerslagoverschot optreedt dat bij een groter jaarlijks regenkwantum groter wordt en bij een kleiner jaarkwantum kleiner. Dit regenoverschot neemt door het verloop van de potentiële verdampingslijn bij toenemende jaarlijkse regenval meer toe dan evenredig. Dit blijft geldig wanneer een bedrag in mindering moet worden gebracht om de uitgedroogde grond in het najaar weer op veldcapaciteit te brengen ( het gearceerde stukje). De beide lijnen worden dus theoretisch zoals in afb. 10 is aangegeven. De verdampingslijn wordt bij veel regen horizontaal. De drainage-lijn nadert tot een helling 1. Men kan zich afvragen waarom men dit zo weinig in de lysimeter-literatuur ontmoet (alleen Penman en Schofield in 1941). I n de eerste plaats is de spreiding van de punten in de regel zo groot dat de lijnen ook gerust recht kunnen worden getekend. Ten tweede is het traiect van R + I beperkt en het omvat de oorsprong mmlmnd

100

-

50

-

-

R

1

1

I

1

2

3

1

.

1

4

1

5

6

1

7

1

8

1

9

1

1

0

1

u

1

1

1

1

1

1

2

1

1

I

1

1

2 3 1 maanden

Afb. 9 Verloop v a n de verdamping van vrij water E, en vereffend verloop van de regenval gedurende het jaar. Krommen geoaseerd op gemiddelde maandgegevens. Voor de regenval bovendien krommen voor de 10 natste en de 10 droogste jaren sedert 1904. Gearceerd gedeelte stelt de vochtvoorraad van een grond voor (hier ca. 90 m m )

Afb. 10 Theoretische regressielijnen van afb. 8 en 7; a verdana-

pingslijn, b drainagelqn

niet. Ten derde realiseert men zich de betekenis van b meestal niet. Ten vierde heeft men zich tot dusver te weinig in de verdamping als primair verschijnsel verdiept. Bij stroomgebieden past men wel kromlijnige samenhangen toe (omdat deze gezamenlijk in een gebied liggen, waar de regenval veel meer uiteenloopt, o.a. Keller 1906 en Wundt 1937). Wat wij nu aan dit inzicht hebben is, dat wij de richting van onze regressielijn beter kunnen vaststellen op grond van een bepaling of schatting van b. Men moet daarvoor de grond met de aanwezige begroeiing laten uitdrogen bij afwezigheid van regenval, of de maximale onttrekking in een droge zomer schatten. Hiermee komt onze lijn door de puntenzwerm beter vast te liggen. Men kan verder inzien dat bij eenzelfde regenval een punt hoger komt te liggen in de puntenzwerm van de verdampingslijn, wanneer de volgende gevallen zich voordoen: 1. wanneer de regen meer in het zomerhalfjaar valt; 2. wanneer bij kale, slecht vochthoudende grond de regenverdeling in de zomer gelijkmatiger is; 3. wanneer de grond langer met een gewas is bedekt; 4. wanneer dit gewas hoger is en dieper wortelt; 5. wanneer er een grondwaterstand aanwezig is. Het is voorlopig nog niet mogelijk deze omstandigheden numeriek in de lysimeterformule te verantwoorden. 6. Beschrijving van het drainproces Men kan het uittredende drainwater, zoals al is gezegd, beschouwen als de regenval waarvan door het oponthoud in de grond, een deel ten offer valt aan de verdamping. Wat gebeurt er met het regenwater van het ogenblik af dat dit gewas of de grond bereikt tot het moment dat het onder aan de bodem uittreedt? Eerst bevochtigt het

het gewas en de grondoppervlakte, tot deze geheel nat zijn. Dan dringt het de grond binnen. Is de grond volledig verzadigd, dan loopt het water over de grond of vormt een plas. Is de grond op veldcapaciteit dan loopt het door de grote poriën, gangen en spleten omlaag. Is de weerstand groot genoeg dan kan grondwater ontstaan en het freatisch vlak stijgen. Is de grond droger dan het vochtgehalte bij veldcapaciteit dan vloeit water door de grote poriën naar de kleine en de grond vult zich geleidelijk. In hoofdzaak van boven naar beneden. Bij de aanwezigheid van gangen en spleten kan al water uittreden vóór het dalende vochtfront de bodem van de lysimeter heeft bereikt. Bereikt het water de ondergrens van het grondblok dan hangt het van de wijdte der capillairen af bij welke hydrostatische druk het uittreedt. Omdat de oppervlaktespanning in de wijdste poriën het kleinst is, treedt daarlangs het water uit. De kleinere poriën blijven zolang de drainage aanhoudt gevuld. De capillair gevulde laag is dikker naarmate de poriën nauwer zijn. Deze laag hangt aan menisci en is even dik als de capillaire laag die op grondwater staat, wanneer dit in deze grond aanwezig zou zijn. Zoals hiervoor al werd meegedeeld, is de vochtverdeling in de lysimeter als functie van de hoogte boven het grondwater, in een vrij drainerende lysimeter gedurende een periode van drainage identiek met die in een lysimeter met een grondwaterstand. Enige tijd er voor en er na is dus ook nog meer water aanwezig dan in de vrije grond met een diepe grondwaterstand. In de winter is tijdens drainage de lysimeter natter dan de grond met diepe grondwaterstand. In een zomerperiode zonder drainage kan de lysimetergrond droger zijn dan de vrije grond, omdat diepere lagen waaruit capillair water zou kunnen opstijgen, ontbreken. Doordat warmte de oppervlaktespanning van water verlaagt, bevordert stijging van de bodemtemperatuur de drainage een weinig. Ook de temperatuursgradiënt beinvloedt de waterbeweging: bij vorst stijgt waterdamp omhoog. 7. Verdamping als functie van weer, plant en grond Er wordt door de verdamping, zoals gezegd, een zekere tol geheven van het regenwater. In de eerste plaats verdampt het aanhangende water van de vegetatie en dat wat op de grond ligt. De verdamping van het vrije water op plant en grond kan aan de hand van meteorologische grootheden met formules worden berekend. Het

Het regenwater dat de grond binnendringt komt in een laag waaruit het kan opstijgen naar de oppervlakte. Is de grond kaal dan stijgt het door capillairen als gevolg van een vochtspanningsgradiënt omhoog naar het oppervlak en verdampt daar. Hoe groter de gradiënt en hoe groter het capillair geleidingsvermogen, van hoe groter diepte het water kan opstijgen. Het capillair geleidingsvermogen is van het vochtgehalte en van de structuur van de grond afhankelijk. Wordt de grond te droog, dan stijgt praktisch geen vocht meer op. Hierdoor is bij elke grond die kaal is, de grootste onttrekkingsdiepte bij benadering een karakteristieke grootheid. Elke grond heeft verder een bepaalde veldcapaciteit; dat is de grootste vulling die na afzakking van het niet-capillaire water achterblijft. Uit dit alles volgt dat elke grond een karakteristieke maximale hoeveelheid water aan de atmosfeer kan afgeven. Deze grootheid willen wij het maximale verdampingskwantum, W noemen. Voor een begroeide grond geldt in wezen hetzelfde. Door de plantenwortels wordt het water onttrokken als gevolg van de vochtspanningsgradiënt in de plant. Is rondom de niet verkurkte wortels en zijwortels de grond tot het vemelkingspunt geleegd, dan maakt wortelgroei nieuwe onttrekking mogelijk. In de loop van de ontwikkeling van de planten breidt het wortelstelsel zich geleidelijk uit. Bij een grond op veldcapaciteit is de maximale onttrekking op zeker tijdstip t dus W,, waarbij de waarde van W, dagelijks met een bedrag A W toeneemt. De onttrekkingslaag nu is de laag (meestal van wisselende watervulling en van veranderende dikte) waar van boven water in komt en van onder water kan uitHoe verloopt nu de verdamping uit de vegetatie? Een vegetatie, bestaande uit planten waardoor het water uit de grond naar de atmosfeer stroomt, heeft een zekere weerstand. De voornaamste weerstand vormt de opperhuid, die zeer slecht doorlatend is (soms extra slecht door een waslaag of beharing) maar die zeer fijne, ovale poriën bevat, de huidmondjes of stomata (in de orde van 1000 tot 30.000 per cm2, spleetwijdte tot ca. 30 p ) . Zijn ze wijd open, overdag, wanneer de plant over voldoende water beschikt, dan is de weerstand van de vegetatie ten opzichte van die van vrij water 0,65. De weerstand neemt 55

toe naarmate ze zich sluiten. Dit gebeurt zodra de vochttoestand in de plant (hydratuur) te laag wordt. De hydratuur komt tot stand als resultaat van verlies aan water door verdamping (transpiratie) en toevoer van water door absorptie door de wortels. Bij het transport van water ten behoeve van de verdamping spelen levensverschijnselen geen rol van betekenis. Het is een fysisch verschijnsel. Aan het regelmechanisme van de huidmondjes nemen wel biologische processen deel. Wij mogen nu onderscheid maken tussen perioden dat de huidmondjes open zijn en dat zij min of meer zijn gesloten. In het eerste geval is de verdamping evenredig met de weerkundige verdamping, d.i. die van vrij water. In het tweede geval ondergaat deze een beperking. De grootte van deze beperking is afhankelijk van de hydratuur van het gewas. Welke grootheid deze hydratuur het beste karakteriseert is een probleem op zich zelf. Wil men de hydratuur omzeilen, dan moet men zich tot de vochttoestand van de bewortelde grond wenden. Nu vervalt men echter in de problematiek van het twistpunt of een plant tot het vochtgehalte van de grond waarbij zij blijvend verwelkt, onbelemmerd kan doorgaan met transpireren of geleidelijk minder transpireert naarmate de uitdroging van de grond voortschrijdt. Numeriek is deze moeilijkheid voorlopig het gemakkelijkst op te lossen door potentieel verbruik (dus volgens de krachten van het weer) aan te nemen tot een zekere hoeveelheid water op is en daarna het verbruik op O te stellen, tenzij er regen valt of de wortels nieuw water ontmoeten. Een punt van belang is nog het volgende. Een gesloten vegetatie kan worden beschouwd als een vlies waaruit dank zij de ingestraalde energie water verdampt. Zijn projectie-oppervlak is hiervoor bepalend, niet het bladoppervlak. Voor zover de straling de voornaamste factor is die de verdamping bepaalt, is deze schematisering juist. Het reflecterend vermogen speelt hierbij een grote rol. Een gesloten vegetatie is echter geen vlies; hij heeft aerodynamisch gesproken een ruwheid, die turbulentie van de luchtlaag veroorzaakt en dus de dampuitwisseling vergroot. De turbulentie nu hangt af van de structuur, dichtheid, hoogte, buigzaamheid en ook uitgestrektheid van de vegetatie en verandert dus met de ontwikkeling van het gewas. Deze beschouwing zal hebben verduidelijkt wat in paragraaf 2 al werd gezegd, nl. dat een lysimeter pas dan representatieve waarden kan opleveren wanneer:

1. het gewas met het gewas er omheen de vereiste continuïteit en uitgestrektheid bezit; 2. de wortelgroei, (de temperatuurgradiënt en de structuur in de grond) met die van het veld overeenkomt; 3. het waterregime resp. de vochtspanningsgradiënt representatief is voor het veld. 8. Enkele resultaten van het lysirneteronderzoek

Wanneer men tracht de resultaten van de vele lysimeters op de wereld te overzien, voorzover men de publikaties kan bemachtigen, treft men een overweldigende hoeveelheid cijfers aan. Deze cijfers hebben op bepaalde jaren, plaatsen, grondsoorten en gewassen betrekking en leveren als zodanig geen algemeen bruikbare inzichten op. De wel voor uitgebreide toepassing vatbare resultaten zijn echter in verhouding klein. De oorzaken zijn de volgende. 1. De interactie tussen regenval, de verdamping en de plantengroei is zeer ingewikkeld. 2. De grootte van de in het spel zijnde factoren is meestal moeilijk numeriek te beschrijven, laat staan bepaald (toestand gewas, beworteling, verdeling water en lucht in de grond, temperatuur- en vochtspanningsgradiënt enz.). 3. De inrichting en opstelling van de lysimeters zijn vaak onnatuurlijk en de afwijkingen van de natuur zijn niet numeriek bepaald. Men moet zich dan ook niet verbazen dat men veelal genoodzaakt was in eenzijdige gegevens empirische verbanden te zoeken. Uiteraard zijn deze zeer grof en vaak misleidend. a. De drie monolythen te Rothamsted (Engeland) die uit onbegroeide leemgrond bestaan en een diepte hebben van 50, 100 en 150 cm, toonden aan dat de diepte maar weinig invloed op de drainagehoeveelheid heeft. Toch is de drainage niet geheel gelijk, omdat bij grotere diepte een temperatuurstijging meer water doet uitlopen dan bij kleinere diepte. De temperatuur beïnvloedt, zoals al is vermeld, de oppervlaktespanning van het water in de capillairen. (Ook ingesloten lucht kan het drainageproces beïnvloeden). Het transport van Cl- en NO,toonde aan dat de drainage hoofdzakelijk plaats heeft door wijde openingen: worm- en wortelgangen en spleten. Het bleek verder dat de verdamping (R-D) in de winterperiode (oktober-maart) onafhankelijk is van de regenhoeveelheid en gelijk aan de verdamping van vrij water (afb. 11). In de zomerperiode (april-september)

E m"? 300

1 -

ROTHAMSTED

x 1881-1907 o 1908-193L

Zomer (apr.-sept3

o

/ # ~ o ~ o o o ~

t

x

X

200

Winter (okt.-mrt1 O

X

m

O'

I

I

O

100

200

300

, 4 0 0

500

mm

600 R

Afb. 11 Verdamping uitgezet tegen regenval voor zomerperioden (april-september) en voor winterperioden (oktober-maart) v a n een onbegroeide lysiqneter nzet leentgrond t e Rothamsted (naar Penman e n Schofield 1941)

was er een invloed van de regen op de verdamping die bij toenemende hoeveelheid verzwakt (Penman en Schofield 1941). b. I n lysimeters met zandgrond waarin een waterstand op 1,75 m was ingesteld werd te Leningrad gevonden dat in de winter de temperatuurgradiënt een belangrijke hoeveelheid water uit het grondwater doet opstijgen. Omgekeerd doet de temperatuurgradiënt in de zomer water in het grondwater destilleren. Per jaar condenseert ongeveer 100 mm uit de atmosfeer op de lysimeter (Sochevanov 1939). c. Te Ithaca (N.Y.) heeft men lysimeters met een zavelige grond waarbij men aan de bodem een zuigkracht kan uitoefenen via een poreus element. Het bleek dat bij een zuigkracht van 136 cm water, overeenkomend met een grondwaterstand van 1,36 m beneden de bodem van de lysimeter, de afvoer gedurende 56 dagen in de zomerperiode bij onbegroeide lysimeters 4,5 keer zo groot was als bij vrije afloop, de afvoer van N en Ca eveneens. Bij lysimeters met haver begroeid, was de waterafvoer 2 maal zo groot, de afvoer van N en Ca 3 maal zo groot als bij vrije afloop. Op de aangezogen lysimeteis stond het gewas minder hoog en de verdamping was geringer (Wallihan 1940). d. Te Ebeiswalde, Duitsland, heeft men 3 weegbare lysimeters met zandgrond, elk omgeven door een veldje met dezelfde begroeiing. Het bleek dat er op dagen na regen slechts weinig verschil is in verdamping uit een onbe-

EBERSWALDE zomer mmldag

r J

-

heldere dogen

droge periode

na regen

w

g

z

w

H z

g

Afb. 12 Verdamping uit lysimeters zonder grondwaterstand m e t kort gras (g) e n m e t kaal zand (z) e n uit de verdampingsmeter v a n Wild (W) op 3 soorten dagen t e Eberswalde (naar Bartels 1933)

-

-

gras kort, geen gr. w. x gros, gr.w. co - 6 5 cm

o jonge dennen o kool zond XlX

500

-

.

.

0

Q

0

O

O

o

I 500

I

E Wild I mm

Afb. 13 Verdamping v a n een aantal jaren uit verschillende lysimeters uitgezet tegen de verdamping uit de bak v a n Wild t e Eberswalde (naar gegevens v a n Friedrich 1950)

groeide en een met gras begroeide lysimeter, maar dat op heldere dagen volgend op tenminste 36 uur droogte het gras veel meer verdampte dan de kale grond (afb. 12). In een droogteperiode bestond een dergelijke verhouding, maar op lager niveau (Bartels 1933). Het aandeel van de winterperiode in de jaarverdamping (van al of niet begroeide lysimeters) bleek procentueel ongeveer constant; ook het zomeraandeel was dus constant. Het verloop van het maandelijks aandeel door het jaar is echter niet gelijk. Het tijdstip waarop de top in de zomer valt hangt af van de aard van de begroeiing (Friedrich 1950). Waarop Friedrich niet wijst is de constante verhouding tussen de verdamping uit gras da! bij een hoge waterstand groeit en de verdamping uit de verdampingsmeter van Wild (afb. 13). Dit betekent dat bij optimale watervoorziening het weer de verdamping uit het gewas bepaalt. Ook blijkt dat in de zomer de verhouding van de verdamping uit het gras (dat 2 maal per jaar werd gemaaid) tot de verdamping van vrij water groter is dan in de winter (afb. 14). Dit wijst erop dat de hoogte van het gras van invloed was. E gras mm

EBERSWALDE gr.w. ca -45cm

2001 maanden

.D

O

l

I

50

100

E Wild I 150 mm

Verdamping per maand uit de lysimeter met gras ( 2 maal per jaar gemaaid) b@ een grondwaterstand van ca. 4 5 cm uitgezet tegen de verdamping uit de bak van Wild. In de zomer verdampt het meestal hoge gras meer t.o.v. de bak dan in de winter, wanneer het gras kort is (naar gegevens van Friedrich 1950) Afb. 14

IEbak mm COSHOCTON r 1952

600

Afb. 15 Samenhang tussen de gesommeerde verdamping uit een lysimeter met een timothee-lucerne-vegetatie en de gesommeerde verdamping u i t een verdampingsbak (Cashocton 1952). N a maaien wordt de verhouding 2 E gewas :2 'E water kleiner (naar Harrold en Dreibelbis 1951)

e. De weegbare lysimeters te Coshocton, die met het land eromheen werden bebouwd, toonden in de eerste plaats duidelijk aan dat de hoogte van het gewas de verdamping beïnvloedt. Bij maaien wordt de verdamping t.o.v. vrij water ineens kleiner (afb. 15). Ook de beworteling bepaalt mede de verdamping: een diepwortelend grasgewas verdampt ca. 150 mm meer dan een ondiep wortelend. Omdat de gewichten voortdurend werden geregistreerd, kon ook de nachtelijke condensatie worden vastgesteld. Deze beliep ten hoogste gemiddeld 1mm per nacht (incl. nachten zonder condensatie) in december (Harrold en DreibelbZs 1951). f. De 4 grote lysimeters van het P.W.N. te Castricum hebben waardevolle gegevens opgeleverd. I n de eerste plaats bleek dat naaldbos meer water verbruikt dan loofbos en beide veel meer dan kale grond (afb. 16). Het feit dat bossen veel water kosten werd ook in Engeland met een lysimeter met een Sitkabosje door Law vastgesteld (1957).Ook het toenemen van de verdamping bij het groeien van het bos kon duidelijk worden vastgesteld (Van Nievelt 1952).Voor de lysimeter met dennebos berekende Wind dat de interceptie 40% van de neerslag bedroeg (Wind 1958). Law (1957) vond voor Sitkabos ongeveer hetzelfde bedrag (38%). Wanneer men de gegevens voor groei corrigeert, vindt men dat bij alle 4 ly-

CASTRICUM 1942/'58 700

-

600

-

Naaldbos

500 L00

0

0

,

, 0

-

/ /

/

/

/

Duindoorn

/

Afb. 16 Jaarcijfers v a n de 4 lysimeters t e Castricum. Verdamping uitgezet tegen regenval. Er is gecorrigeerd voor de groei v a n de vegetaties op de 3 begroeide lysimeters. Terwille v a n de dzcidelijkheid zijn voor loofhout e n duindoorn de stippen weggelaten. De regressielijnen zijn gemakshalve recht getekend. Uit deze afbeelding blijkt dat de regressielijnen eigenlijk krom moeten zijn, want uit de begroeide lysimeters k a n zonder regenval t e n hoogste 275 mm worden opgenomen (het grondwater inbegrepen). Uit de onbegroeide lysimeter k a n maximaal ongeveer 25 mm worden onttrokken

simeters te Castricum de verdamping met de regenval beneemt; bij de kale grond slechts weinig. Verder blijkt dat de verdamping bij eenzelfde regenval belangrijk varieert g. De 32 weegbare lysimeters met 3 grondsoorten met gras te Wageningen leverden als voornaamste resultaat op dat de formule van Penman (1955) voor de verdamping van een korte gesloten grasvegetatie met optimale watervoorziening kan worden vereenvoudigd tot de volgende empirische formule: E,

=

0,61&,

d r + Y - 0'12 mm per 24 uur

waarin E, de potentiële verdamping van een kort grasdek voorstelt, R , de gemeten totale straling uitgedrukt V o o r de verstrekking van de gegevens van de laatste 5 jaren ben ik ir. J. G. G. Jelles van het P.W.N. zeer erkentelijk.

62

tg a

Ceiduin

I

van Stirurnkanool

'

'

1

1

'

1

'

'

'

1

'

~

1

1

'

~

1

'

'

~

1

'

'

~

'

~

j f r n a r n j j a s o n d j f m a r n j j a s o n d j f r n maanden

Afb. 17 Het golvend verloop van de hellingstangens van de regressielijn van de maandwaarden van drainwater als functie van de regenval. Ter weerszijden een lijn voor de dubbele standaardafwijking. Gegevens van Leiduin (Van Stirumkanaal) (naar R. Wind, in druk)

in mm water, A de toeneming van de maximale waterdampdruk in mm H, per graad C bij de heersende temperatuur en y de psychrometerconstante. Verder bleek dat de verhouding tussen E, en de verdamping van vrij water gedurende het hele jaar constant mag worden genomen en wel 0,65, en dat deze niet laag is in de winter (0,6) en hoog in de zomer (0,s) zoals Penman opgeeft (Makkink 1957). Dat Penman in de zomer toch tot juiste uitkomsten komt, wijst erop dat hij ongemerkt voor gewassen een gewasfactor van' 0,s : 0,65 = 1,23 toepast. h. Het werk van de Werkgroep Lysimeters T.N.O. mag vooral niet onbesproken blijven, omdat wijlen dr. R. Wind Hzn. van 1953 tot 1957 enkele belangrijke uitkomsten heeft verkregen. Hij bestudeerde alle in Nederland aanwezige gegevens samenvattend. Hij vond dat tga (= a) en b uit de lysimeterformule voor maandgemiddelden een sinusverloop vertonen (Wind in druk) (afb. 17). Ditzelfde blijkt ook uit de gegevens van De Gruyter voor Rijnland en Woerden (1957). Hiervoor vindt men verder, dat de verhouding tussen tgj3 (= c, formule (5)) en b constant is, mits men de maanden december tot en met maart uitsluit (afb. 18). Het berekenen van de interceptie voor dennebos door Wind is al genoemd. Tenslotte moeten zijn berekeningen van de gemiddelde jaarverdamping voor enkele gebieden met behulp van de formules van de Nederlandse lysimeters worden vermeld. Voor elk aandeel dat een bepaalde vegetatie aan het desbetreffende gebied heeft, wordt de formule van de daarmee meest overeenkomende lysimeter gebruikt. De uitkomsten konden worden vergeleken met uitkomsten die langs een andere weg waren verkregen.

~

Het resultaat is zeer bevredigend zoals uit tabel l-blijkt. Dit betekent dat een lineaire regressieformule voor de praktijk vaak voldoende is. .. ML

-

TABEL 1

Verdamping in mrn/jaar Lys.formule N.-Veluwe Itottegatspolder Gebied Spikkersbeek Kl. Beerse Gr. Aa

1948150 1949151 1952/'54 1948153

449 513 490 507 491 488

>> j?

Andere manier

450 527 486 507 513 518

hydrologisch waterbalans verdamp. form. >, l$

i. Een belangrijke bijdrage tot onze lysimeterkennis gaf Turc (1955). Hij ontwierp een empirische formule waarmee het mogelijk is voor perioden van een maand en van een jaar de drainwaterhoeveelheden en de verdamping van lysimeters te berekenen. De formule moet per decade worden toegepast en levert de verdamping. Per decade wordt een waterbalans opgemaakt, die het cijfer voor de grondvochtvoorraad oplevert, nodig voor de waterbalans van de volgende periode. De werkwijze is te omvangrijk om hier weer te geven, de formule zelf is ook gecompliceerd genoeg. Alleen de grootheden die erin voorkomen wil ik hier vermelden: de regenval, de aan b mm

RLINLAND EN WOERDEN

-

1900 1940

Afb. 18 Samenhang tussen de constante ( b ) en de hellingstangens ( C ) van de regressielijnen ,voor maandwaarden van verdamping en regenval voor de polders Rijnland Woerden (naar gegevens van De Gruyter 1957) (1 januari, 2 februari enz.)

+

hemeten mm 0

100

-

300

-

5

Castricum

II,menlX begroeid, , m e g

. O

100

200

300

400mm Dber.

Afb. 19 Gemeten jaarlijkse drainage v a n 3 begroeide lysimeters 11, III en IV t e Castricum, uitgezet tegen de berekende waarden (naar T u r c 1955)

onbegroeide grond onttrokken hoeveelheid water, de temperatuur, de hoeveelheid grondvocht aan het begin van het groeiseizoen en aan het begin van de betreffende decade, de totale straling in cal/cm2/dag, volgnummer van de decade in de groeiperiode, aantal decaden in de groeiperiode, geoogste hoeveelheid droge stof en de transpiratiecoëfficiënt van het gewas. De grondvorm van de formule werd ontleend aan de kennis van stroomgebieden. De details voor kale grond en gewassen zijn ontleend aan allerlei onderzoekingen uit de literatuur. De resultaten zijn, gezien de toegepaste benaderingen en schematiseringen, indrukwekkend. Eén voorbeeld geef ik hier weer, nl. dat van de jaarlijkse drainage uit de begroeide Castricumse lysimeters (afb. 19). j. Voor het drainagelysimeterveld in de Rottegatspolder trachtte ik ten behoeve van de Commissie voor Verdampingsonderzoek voor maandperioden van een reeks jaren de verdamping te berekenen. Dit gebeurde aan de hand van eerder genoemde formule (7) en met behulp van potentiële gewasfactoren en wortelconstanten. Potentiële gewasfactoren geven de verhouding aan van de potentiële verdamping van het gewas tot die van een gesloten, kort grasdek. Deze gewasfactoren en de wortel,,constanten" (W,) nemen met de groei van het gewas toe. De lengte van het gewas werd daarom ook aïs gegeven gebruikt. Een continue voorraadboekhouding voor korte perioden werd gevoerd, gebaseerd op de verondersteliingen dat bij voldoende vochtvoorraad de verdamping po-

E(berekend) mm

ROTTEGATSPOLDER

.L 100

-

O //

.H

Zomermaanden 1955 - 1958 o aangenomen berekend

A f b . 20 Berekende verdamping voor maandperioden vergelelcen m e t de w a a r d e n volgens de waterbalansbepalingen. O p e n stippen gebaseerd op aangenomen parameters, gesloten stippen geheel op berekening gebaseerd. L gewas legerde. H h a v e r in zeer droge periode w a a r i n w a t e r uit de ondergrond m o e t zijn opgenomen. Drainagelysimeterveld Rottegatspolder, zomermaanden v a n 4 jaren (naar M a k k i n k 1959)

tentieel is, bij onvoldoende voorraad gelijk aan de voorraad. Het resultaat kon met de uitkomsten van de gemeten waterbalans worden vergeleken. Het was bevredigend, vooral voor de perioden waarin een gewas te velde stond (afb. 20) (Makkink 1959). 9. Overdracht van lysimetergegevens Wat heeft men aan lysimetergegevens? Men mag wel zeggen dat lysimeters die de veldomstandigheden niet voldoende nabij komen, geen kwantitatief bruikbare cijfers opleveren. I n zoverre had Elink Sterk gelijk toen hij in 1898 lysimeters vernietigend veroordeelde. Komen ze wel voldoende met veldomstandigheden overeen, dan leveren de empirische vergelijkingen voor de verdamping of drainage als functie van de regenval, redelijk bruikbare resultaten. Dit is door toepassing van de lysimeterformules voor jaargemiddelden door Wind duidelijk gedemonstreerd. Of zulke formules voor korte perioden bv. voor maanden, ook tot bevredigende uitkomsten leiden is niet bekend. Voor korte perioden (van een maand) biedt de aan-

pak die voor het drainagelysimeterveld in de Rottegatspolder werd gevolgd, perspectieven voor wijdere toepassing. Daartoe zou bij alle weegbare lysimeters deze werkwijze nader moeten worden getoetst. Bij deze aanpak, evenals bij die van Turc (1955 en 1959), wordt het verschijnsel dat zich in de lysimeters afspeelt, gezien als een algemeen verschijnsel dat zich ook in het veld afspeelt. Het wordt naar zijn wezen ontleed en voor de verschillende factoren worden parameters gebruikt, die men aan een of ander onderzoek kan ontlenen. Deze aanpak is dus bij voorbaat op algemene toepassing gericht. Besluitend kan worden gezegd dat, wanneer men de lysimeters gebruikt om de wetmatigheden tussen weer, begroeiing en grond te leren doorzien en niet tot onkritische extrapolatie overgaat, men niet door hen behoeft te worden misleid, wat Elink Sterk indertijd hekelde. Zij hoeven naar mijn mening dan ook niet, zoals hij wenste, uit 's mensen heugenis te verdwijnen, maar kunnen aan onze kennis nog belangrijke bijdragen toevoegen. Literatuur J . Bartels - Zschr. f . Forst- u n d Jagdwesen 65 (1933) 204. A. Elink S t e r k - Tijdschr. K o n . Inst. v. Ing. (1896-1898) 63. W . Friedrich - G.W.F. 91 (1950) 289.

P. d e G r u y t e r - Rijnlands Boezem, I De Waterhuishouding. Leiden, 1957. L. L. Harrold e n F. R . Dreibelbis - T e c h n . Bull. 1050. U.S. Dpt. Agr., W a s h i n g t o n , 1951. H. Keller - Jahrb. f.d. Gewasserk. Norddeutschl. Ber. Mitt. 4 (1906). H. K o h n k e , F. R. Dreibelbis e n J . M. Davidson - Misc. Publ. 372. U.S. Dpt. Agr., W a s h i n g t o n , 1940. F. L a w - J. Inst. W a t e r Eng. 11 (1957) 269. G . F. M a k k i n k - Neth. J. o f Agr. Res. 5 (1957) 290. G . F. M a k k i n k - Publ. 49. Ass. Intern. d'Hydrol. Sc. 11. (1959) 13. B . F. v a n Nievelt - W a t e r 36 (1952) 195. H . L . P e n m a n - Neth. J. o f Agr. Res. 4 (1955) 9. H. L . P e n m a n e n R. K. Schofield - J . Agr. Sc. 31 (1941) 74. O . V. P o p o f f - Ass. Intern. d'Hydro1. Sc. 49 (1959) 26. J. Prenk - Ass. Intern. d'Hydrol. Sc. 49 (1959) 166. M . Sanderson - Can. J . Res. 26 C (1948) 445. K . Schubach - Ber. d. Deutschen Wetterdienstes i.d. U.S.-Zone 40 (1952) 3. V . E. Sochevanov - Ass. I n t e r n d'Hydrol. Sc. 2 (1933). L. T u r c - Ann. Agronom. 6 (1955) 5. L. T u r c - Ass. Intern. d'Hydro1. Sc. 2 (1959) 75. E. F. W a l l i h a n - J. A m . Soc. Agronom. 32 (1940) 395. R. W i n d Hzn. - Proc. and I n f o r m . 3, C o m m . Hydrol. Res. T.N.O. (1958) 164. R. W i n d H z n . - D e lysimeters in Nederland (II), in d r u k . E. J . W i n t e r , P . J . Salter e n G. Stanhill - Ass. Intern. d'Hydrol. Sc. 49 (1959) 44. W. Wundt Deutsche Wasserwirtsch. 32 (1937) 82, 104.

-

Kwaliteitsveranderingen van het water tiidens ziin verblijf in de bodem door prof. dr. J. K. Baars In de toelichting op de waterleidingwet wordt gezegd: ,,Water is een onmisbaar, slechts schijnbaar eenvoudig te verkrijgen goed" en in het volgende hoop ik aan te tonen dat het grondwater weliswaar op vele beoordelingspunten reeds zeer gunstig van samenstelling kan zijn, doch dat dit water vaak nog op andere punten speciale bewerkingen nodig heeft voordat het geheel geschikt is voor distributie als drinkwater. De eigenschappen van het grondwater hangen ten nauwste samen met de aard van de grondlagen, waar het vroeger doorheen is gestroomd en het is dus logisch om deze veranderingen, die tot een bepaald eindresultaat hebben gevoerd afzonderlijk te beschouwen. Doch in plaats van mij te beperken tot het water dat net het maaiveld is gepasseerd wil ik er de voorkeur aan geven om ook nog een ogenblik het water boven de bodem te bezien. Laten wij dus allereerst eens nagaan wat de samenstelling van de regen in het algemeen en in ons land in het bijzonder is.

A. In 1938 is door Leeflang het resultaat gepubliceerd van 5 jaar regenonderzoek op verschillende afstanden van de kust. Op blz. 69 vindt men enige cijfers uit zijn tabel I1 (1). De droogrest is vooral direct bij de kust belangrijk hoger dan van de andere monsters, doch dit zal ongetwijfeld zijn oorsprong vinden in zeer fijne zeewaterdruppeltjes die, vooral bij Z.W.wind, nog in de regen aanwezig zijn, hetgeen eveneens tot uiting komt in het chloridegehalte. De samenstelling van de neerslag in zeegebieden was ook voor Wind (2) het onderwerp van een onderzoek. Hij toonde aan hoe zeer de zouten uit de zeewinden in het bijzonder aan de zuidwestzijde van bossages worden af gevangen. In het algemeen berekent Leeflang dat jaarlijks met de regen op ons land in totaal niet minder dan 100.000 ton NaCl en 41.000 ton MgCl, neerregent of wel 31 en

TABEL 1 Gemiddelde samenstelling van de neerslag (in mgh) 16 nov. 1932 22 december 1937

-

Afstand v. d. kust in m Regenhoeveelheid in mm Vaste stoffen, gedroogd bij 180' Verbruik KMnO, Chloride Salpeterigzuur Salpeterzuur Zwavelzuur Hydrocarbonaat Kiezelzuur Ammonium Calcium Alkalimetalen berekend als Natrium

12.5 kg per ha. Wanneer wij dit berekenen op 32.000 kmP wordt per 1neerslag over ons gehele land -1 5 mg/Cl' berekend. Doch als wij van de typische ,,kustregeny' afzien is het allerminst zo dat de regen mag worden beschouwd als gedestilleerd water. Voor nitraten is nog een andere oorsprong aan te wijzen, nl. elektrische ontladingen in de atmosfeer. Het permanganaat-verbruik van het regenwater zal wel worden veroorzaakt door allerlei organisch stof, dat fijn verdeeld in de lucht zweeft en met de regen mee wordt neergeslagen. Zo is het een ervaringsfeit dat in de droge zomermaanden een sterke regenbui zwembaden in korte tijd groen kan doen worden, daar de in de lucht zwevende algen dan met de regen worden neergeslagen. Van de ammoniak neemt men aan dat deze hoofdzakelijk door plantaardige rottingsprocessen wordt ontwikkeld en dus van biogene oorsprong is. Incidenteel kan natuurlijk wel een bepaald element in onverwacht hoge concentratie voorkomen, zoals fluor in de buurt van superfosfaatfabrieken, waar cijfers van 20 mg/l zijn geconstateerd, doch dit verschijnsel is voor de algemene samenstelling van de regen niet van belang te achten.

B. De regen valt nu in sloten en kanalen, op onbegroeide

of begroeide bodem en komt via de hangwater- en de capillaire zone in het grondwater terecht. Wanneer het water in een plas of poel terecht komt zijn allereerst daar weer veranderingen mogelijk. Laten wij een ogenblik stilstaan bij de vijvers en ka-

nalen, die wij heden ten dage in de Hollandse duinstrook aantreffen. Wij kunnen dan in algemene zin zeggen dat, daar dit water meestal nitraten, fosfaten en koolzuur bevat, een groei van micro-organismen benevens lagere en hogere planten zal optreden. Het gehalte aan organisch gebonden koolstof van het water zal dus toenemen. Daarbij zal ook het zuurstofgehalte toenemen, door de koolzuur-assimilatie. In dit oppervlaktewater, dat dus een zeker gehalte aan vrije zuurstof en nitraat-zuurstof bevat, komt ook biologisch leven voor dat bv. de nitraten kan gebruiken bij de opbouw van nieuw celmateriaal, waarbij o.a. aminozuren worden gevormd, althans N-houdende verbindingen waar de stikstof in gereduceerde vorm (-NH,) in aanwezig is. Of de zuurstof, die oorspronkelijk in de NO, vorm aanwezig was, geheel is gereduceerd tot H,O of in minder gereduceerde vorm ook in het plantaardige materiaal aanwezig is, valt moeilijk te zeggen. Op de bodem van de vijvers en kanalen zal zich een sliblaag vormen, waarin een belangrijke vastlegging van verschillende elementen plaats vindt. Zo verkreeg dr. Downing bij schudden van 1 g natte modder en 10 ml rivierwater de vastlegging, weergegeven in tabel 2. TABEL 2 Absorptie in riviermodder Tracer Na 24 Rb 86 Cs 137 J 131 J 131 Br 82 C1 36

Gebruikte 010 vastgelegd verbinding uit de oplossing Na zout Rb zout Cs zout jodide jodaat bromide chloride

8 43 97 47 83 O O

C. Wanneer het water op onbegroeide grond valt zal het toch daaruit al reeds vrij snel allerlei verbindingen blijken te hebben opgenomen. In het onderzoek van Wind zijn ook daarover vele gegevens te vinden. Hij bepaalde de chemische samenstelling van het verdringingswater uit zandkolommen van l m lengte, genomen vanaf het maaiveld (men zou hierbij dus kunnen denken aan een gemiddeld monster van -50 cm) en vond bij water dat op kale, onbedekte duingrond was gevallen op -1 m al Privé mededeling van dr. Downing (Water Poll. Res. Lab., Stevenage).

een KMnO, getal van 10 mg/l en een kleur van 10, bepaald met de Pt schaal. Onder begroeide grond werd gevonden: KMn0,getal Do Natuurlijke lage duinbegroeiing Dennebos Meyendell Dennebos Leiduin Eikebos Meyendell Dennebos Leiduin Grondwater enn neb os

,

8,2 50,9 55,5 110,O 87,9 10,O

5,8 16,5 25,O 13,2 11,4 12,9

HCO,'

Fe"'

Cl'

105 220 166 216 166 242

0,66 0,50 0,28 0,70 0,92 0,28

19 103 78 66 54 58

I n het indringende water kunnen meestal nog worden aangetoond nitraten, fosfaten, sulfaten, eventueel carbonaten als anionen en behalve het reeds vermelde ijzer nog natrium, magnesium, calcium als kationen en verder zal er altijd wel wat kiezelzuur zijn opgelost naast nog ,,sporen-elementen". Uiteraard is de waterhuishouding in de allerbovenste grondlagen eveneens een onderwerp van studie geweest van de landbouwkundigen en wanneer men de natuurlijke omstandigheden geheel wenst te beheersen wordt gebruikt gemaakt van zg. lysimeters. De eerste lysimeter werd omstreeks het einde van 1668 gebruikt. Wij kennen de uitgebreide onderzoekingen van Maschhaupt (3), de u allen bekende lysimeters bij Castricum en ook die te Dortmund, waarmee door Baier (4) uitvoerige onderzoekingen werden verricht en die niet minder dan 354 m diep zijn. D. Allereerst moge echter de verplaatsing van ionen, die niet aan veranderingen onderhevig zijn worden besproken, waarbij eenvoudigheidshalve nog even wordt teruggegrepen op de vrij indifferente bodem, in dit geval duinzand. In een bepaald stadium van het onderzoek van de infiltratie was het gewenst om een idee te hebben omtrent de loopsnelheden van het nitraat- en het chloor-ion door de zandcapillairen. Wanneer wij een geheel met zand gevulde buis van 4 m lengte met Haags leidingwater continu doorstromen met zeer geringe snelheid, zal het water onder en boven de zandlaag dezelfde chemische samenstelling hebben. Daarna wordt boven op het zand in de buis een bepaalde hoeveelheid leidingwater met een extra hoeveelheid van 200 mg Cl'/ en 20 mg N0,/1 méér gebracht. Conductometrisch wordt gecontroleerd wanneer de eerste ml zouter water onder uit de buis komen. In de positieve monsters

mg C l '

I

MONSTERNo 20

22

24

26

28

30

Afb. I Voortplanting van Cl' en NO3' met waterstroom door duinzand (0,l - 0,15 mm. e f f .size) -= mg CZf/l;- - - - = NOimgll.

worden dan zowel het Cl'-gehalte als de concentratie van de NO3-ionen chemisch bepaald. De resultaten zijn weergegeven in afb. 1, waaruit blijkt dat geen verschil in verplaatsingssnelheid tussen het Cl' en het NO,' kon worden geconstateerd. Het opmerkelijke is dat de beperkte hoeveelheid zouter oplossing sleclits geleidelijk door de capillairen heen komt. Men zou zich daarbij kunnen voorstellen dat van de waterkolommen in de capillairen eerst het centrale deel wordt verplaatst, waarbij de randlagen blijven gehandhaafd. Zou men zeer lang doorstromen met hetzelfde water dan zou de samenstelling van het uitstromende water uiteraard gelijk worden aan die van het opgegoten water. Bij de proef werd echter een beperkte hoeveelheid water gebruikt en daar deze voorraad geleidelijk opraakt en weer wordt vervangen door het oorspronkelijke water, worden op hun beurt de ,,zouteM capillairen weer op dezelfde wijze schoongewassen. (Een zelfde verschijnsel ziet men wanneer lucht door poreus materiaal wordt geblazen bij aeratie van water. Hierbij trekt een deel van het bovenstaande water in de poreuze steen en wordt daar als grenslaag aan de wanden van de capillairen geabsorbeerd, daarbij de nuttige doorsnede verkleinend. Impregneert men het keramische materiaal echter met siliconen dan wordt deze grenslaag afgestoten met het gevolg dat de capillairen een groter actieve doorsnede handhaven en grotere luchtbellen produceren.) In het terrein werd eveneens een dergelijke proef ge-

nomen door een blok zout (NaCl : NaNO, = 1 : 1) in de oever van een infiltratievijver in de grondwaterzone te brengen. Dagelijks werd het voortschrijden van het zoutfront onderzocht. Ook hier kon echter geen aanwijzing worden gevonden dat op een bepaald punt het extra NO, reeds was gearriveerd en het C1 nog niet. De twee ionen hebben wel nagenoeg dezelfde diameter, doch de hydratatie die verschillend is zou van invloed hebben kunnen zijn op de loopsnelheden. Bij ionen die duidelijk verschillen in diameter of eventueel gehele (grotere) moleculen is het verschijnsel van de specifieke loopsnelheden echter goed bekend. Zo geeft het Report on the Investigations of travel of pollution, een zeer uitvoerig verslag van soortgelijke proeven, gedaan door de State Water Pollution Control Board. Op blz. 94 vermeldt dit rapport hierover gegevens, die in tabel 3 zijn weergegeven. TABEL 3 Vergelijkende verplaatsingstijden van verschillende stoffen bij infiltratieputten

Afstand van in jectie-put

Tijdsverloop, waarna eerste sporen zijn aan te tonen (in uren) fluoresceine

dextrose

J 131

Coli-achtigen

In afb. 2 en 3 zijn de resultaten neergelegd van de onderzoekingen van Kaufman en Orlob (5), waaruit o.a. blijkt dat zelfs verschillende waarden voor het poriënvolume kunnen worden bepaald. Opgemerkt moet worden dat onder de omstandigheden van de proef met relatief grote snelheden werd gewerkt. Een volgende mogelijkheid is dat een eenvoudige ionenwisseling optreedt. Zo vond bij de overstromingen in Zeeland veelvuldig vervanging van het Ca-ion uit het klei-molecuul door Na-ionen plaats, waardoor de bodempermeabiliteit veranderde in ongunstige zin. Er drongen dus Na-ionen in de bodem en er werden uiteindelijk Caionen naar beneden gevoerd (door brengen van CaSO, op de beschadigde bodem heeft men dit proces weer in omgekeerde richting kunnen dringen). Wij zagen uit de resultaten van Wind, dat het mogelijk is dat reeds in de allerbovenste lagen het water rijker wordt aan CO, of HC0,-ionen (als reactieprodukt van plantaardig leven), Ca wordt opgelost (dit vindt ze-

VOLUME

FHROUGHPUF - L I T E R S

Afb. 2 Comparison o f the passage of several tracers through yolo sandy loam. T h e ,,Volume throughput" readings indicate t h e volum e of influent which has passed through the column. T h e lysimeter soil column for t h e y010 sandy loam had a 3.0 ft diameter and was 2.5 ft long

Afb. 3 Passage of chloride and tritium tracers through y010 sandg loam. FOT t h e 48" column, lines indicate data for chloride and HTO tracers moving at a rate o f 35 mllhr, and the m .lines indicate date for a rate o f 8,8 mllhr for t h e 25,5" column. Both chloride and HTO tracers moved at a rate o f 30 mllhr

ker plaats in kalkhoudende grond zoals duinzand) en ook ijzerverbindingen worden opgenomen. In verband met het opnemen van zouten in het water kan het nuttig zijn ook een ogenblik stil te staan bij het element fluor. In het belangrijke artikel van Stas, Louwe Kooymans en Van IJssel (6) vinden wij hierover het volgende. Het voorkomen van fluor in water gaat meestal

gepaard met de aanwezigheid van fosfaathoudende gesteenten. Er zijn in Nederland echter slechts enkele plaatsen waar ,,fosforiet-knollen" aan de oppervlakte komen. Fosforiet is een apatiet (Ca,< C1'F'oH ) houdend (PO,) 3 glauconiet (K.Al.Fe-silicaat), dat voorkomt op de grens van het Eoceen en het Oligoceen en tot het eerstgenoemde geologische tijdvak behoort (beide worden tot het oudTertiair gerekend). Daarboven komt het jong-Tertiair en het Kwartair voor (Diluvium en Alluvium). Over het algemeen liggen de fosforietknollen meer dan 100 m beneden het maaiveld en alleen in het oosten van Overijssel komen ze aan de oppervlakte voor. Daar werden in een aantal watermonsters gehalten van 0'10-0,60 mg F/1 met een gemiddelde van 0,35 mg/l gevonden. I n het algemeen bedraagt het gehalte aan fluor in Nederland echter ten hoogste 0,5 doch meestal 0,l-0,2 mg/l (gemiddelde van 132 waarden is 0,155). Slechts in ZeeuwsVlaanderen werden op enkele plaatsen waarden tot 1,3 mg/l gevonden. Ook Kaesx (7) vermeldt in zijn publikatie in Vom Wasser 1956 dat het fluorgehalte van het grondwater in Duitsland gemiddeld 0,15 mg/l bedraagt. In alkalische bodem is het F-gehalte in het algemeen lager dan in gronden met een zure reactie. 77% van de Dusseldorfer grondwatermonsters hadden minder dan 0,15 mg F/1. Het F-gehalte van het Rijnwater bij Dusseldorf bedroeg 0,30-0,35 mg/l. Het lijkt er dus op, dat in een zandbodem, vooral wanneer deze alkalisch is, een deel van het fluoride kan worden tegengehouden. Wordt het F-gehalte nog in mg uitgedrukt, het gehalte aan jodium geeft men aan in gamma's. In het recent verschenen rapport: Endemische Krop in Nederland, uitgegeven door de Gezondheidsorganisatie T.N.O. wordt vermeld, dat, daar de menselijke jodium behoefte per dag op 150 y moet worden gesteld, het leidingwater uiteraard slechts weinig daartoe kan bijdragen. Slechts in enkele kropvrije streken is het J-gehalte van het leidingwater meer dan 40 y. De verdere behoefte wordt dan door voedingsmiddelen, al of niet opzettelijk verrijkt met jodium, aangevuld. De drinkwatervoorzieningen met meer dan 40 y J in hun water zijn echter slechts gering in aantal (Amersfoort 44 Barendrecht 117 y, Gouda 79,5 y, 's-Hertogenbosch 42 y, Moordrecht 45,9 y en Zutphen 43,9 y. Van de andere bedrijven zijn er 90 met een J-gehalte - 5 ?/l; 54 met 5 - 10 y/l; 22 met 10 - 20 y/l en 9 met 20 - 30 y/l. 11,

75

-

.

i c'I

-4

[?J

0

j i,

Y

g

bi --E

Vooral de duinwaterleidingen leveren water met een laag J-gehalte ( t5 y/l). Weliswaar zou men mogen verwachten dat de zeewinden nogal wat jodium zouden meevoeren. Reith stelde destijds vast dat 50 km van de kust daarvan echter niets meer was te merken. Afgezien van de geringe plaatselijke verschillen varieerde het J-gehalte in het regenwater van 1,5-4,5 y/l. De hoge jodiumgetallen in de 6 genoemde plaatsen zullen dus naar alle waarschijnlijkheid zijn ontstaan uit plantaardig, in de bodem aanwezig, materiaal. E. Verminderingen kunnen wij waarnemen wat betreft het gehalte aan zuurstof, nitraten en organische stoffen en het is mogelijk om hiertussen een bepaald verband te leggen. Wanneer het water direct bij het binnendringen van de bodem een zekere hoeveelheid organische stof bevat zal deze, althans voor een deel, onder de invloed van de aanwezige bacteriën allereerst met vrije zuurstof kunnen worden omgezet in CO,, H,O en nitraten, mits de zuurstof in overmaat aanwezig is. In de lysimeterproeven wordt veelvuldig een effluent verkregen met een restant vrije zuurstof en nitraten. Wanneer wij dit restant organische stof trachten te bepalen met de zg. BOD-bepaling, de KMn0,-methode of kaliumbichromaat-oxydatie (een in de afvalwater onderzoekstechniek momenteel veel gebruikte werkwijze) kunnen wij bv. in goed oppervlakte water de volgende cijfers verkrijgen: Zu~irstofverbruikin 5 dagen bij ZO0 B.O.D.4 Zuurstofverbruik bepaald met KNLnO, en H,S04 Zuurstofverbruik bepaald met K,Cr,O, en H,S04

5,2 mg 0,; 10,O mg O,; 48,O mg O,.

De uitkomsten zijn nogal sterk verschillend en geen van de methoden kan worden geacht de juiste hoeveelheid organische stof aan te geven, die biologisch van belang is. Toch mag worden aangenomen dat in een dergelijk water niet veel dissimileerbare verbindingen meer aanwezig zijn. Zou in de bovenste bodemlagen meer organische stof aanwezig zijn dan door de vrije zuurstof kan worden geoxydeerd, dan kan de NO,-zuurstof dienen als waterstof acceptor. Wij krijgen dan de zg. denitrificatie. In de lvsimeterproeven is meestal een rijkeliike toevoer van zÜurstoff, -zodat effluenten nog volop ten bevatten. In het algemeen kunnen de microbiologische tingen verlopen volgens de onderstaande vergelijkingen.

+

AH -Acc l -t A AccH. Als Acc (waterstof acceptor) kunnen verschillende vormen van zuurstof fungeren, zoals 4 AH -!- 0 2 + 4 A f 2H20 10 AH -k 2 NaNO, -t 10 A f 2 NaOH 4 H,O N, 8 AH 4- Na,SO, 4 8 A f 4 H,O f Na$.

+

+

Wanneer het nitraat als waterstofacceptor dienst doet wordt dit in de natuur voor zover bekend niet verder gereduceerd dan tot stikstof (8). Weliswaar is het in het laboratorium mogelijk gebleken verder te komen (9) doch de vrees van de waterleidingtechnici, dat een bepaalde hoeveelheid nitraten tot een equivalente hoeveelheid ammonium-verbindingen zou worden omgezet is gelukkig niet bewaarheid. Wel kan water, dat zich door humushoudende grond omlaag beweegt een grote hoeveelheid organische stof en ook daaruit ontstane afbraakprodukten, waaronder ammoniak, bevatten. Deze ammoniak is dan echter uit het N-houdende plantaardige materiaal ontstaan. Het begeleidende koolzuur kan dan in de diepere regionen aardkaliën, ijzer en mangaan-verbindingen en silikaten in oplossing brengen. Ook op andere wijze kan mangaan nog in oplossing gaan, nl. wanneer eventuele MnO, afzettingen fungeren als waterstof-acceptor. Het 2-waardige mangaan lost dan op. Wanneer het gedeeltelijk in het zand aanwezig blijft kan het, wanneer weer zuurstofhoudend water toestroomt, weer overgaan in de 4-waardige vorm, dus a.h.w. dienst doen als oxydo-reductie buffer. Een punt van onderzoek bij de infiltratie vijvers was of nitraten pas worden gereduceerd wanneer alle vrije zuurstof is verbruikt. In de eerste plaats moet wel goed worden gerealiseerd dat de grond, hoe homogeen zij ogenschijnlijk ook is, nooit geheel uniform is. Het is dus mogelijk dat een opgevangen watermonster in feite een mengsel is, welks componenten niet met elkaar in evenwicht zijn. Uit water dat net door fijn zand is gefiltreerd kan zich bv. uit ferro-zouten en zuurstof een ferriverbinding afzetten. Als steeds zuurstof erin aanwezig was geweest zou het niet mogelijk kunnen zijn geweest dat de ferri-ionen in de ferrovorm waren overgegaan! Het is natuurlijk ook mogelijk dat anaeroob geworden grondwater zich met zuurstofhoudend oppervlaktewater mengt en dan de raadselachtige samenstelling van zuurstofhoudend en nitraat-vrij vertoont. Gelukkig blijkt, dat wanneer met al deze mystificaties rekening wordt gehouden bij het maken van een proefopstelling toch eerst de zuurstof wordt verbruikt en dan pas het nitraat. Uiteraard zal het van de hoeveelheid plantaardig ma-

teriaal boven en vooral in de bodem afhangen of de oplosbare organische stoffen, die zij aan het water meegeeft naar omlaag voldoende kunnen worden gemineraliseerd of dat na verbruik van de vrije zuurstof en de nitraat-zuurstof ook de sulfaat-zuurstof nog als waterstofacceptor dienst doet. In het water zal dan zwavelwaterstof worden gevormd terwijl het gehalte aan sulfaten afneemt. Er bestaat voorts kans dat de stikstofverbindingen niet volledig zijn gedehydreerd m.a.w. niet maximaal zijn geoxydeerd en nog voor een deel als NH, verbindingen voorkomen. Als uiterste typen volgen hier (tabel 4) enkele watersoorten waarvoor de cijfers zijn ontleend aan het statistisch overzicht van de Vereniging van Exploitanten van Waterleidingbedrijven in Nederland (10). TABEL 4 Verschillende watertypen in Nederland Type I. Geoxydeerd NO, 27 Almelo Lage Vuurse 36 Nijmegen 20 Type 11. Gereduceerd Dordrecht Gouda Moordrecht

O O O

NO,

NH,

O O

0,13 O O

< 0,03 O

< 0,03 O

15,4 16,7 27,O

' 311

H,S

Fe

-

1,4

17

- < 0,l - < 0,l

11 O O

++ +

8,2 16,6 27,4

Wanneer het nitraatgehalte nog meer stijgt kunnen bij consumptie van dit water moeilijkheden optreden. Indien nl. zeer jonge zuigelingen door omstandigheden op flessemelk aangewezen zijn (die dan wordt verdund met water), schijnt de grote hoeveelheid nitraat in het verdunningswater dan, daar een goede darmflora nog afwezig is, in het eerste deel van de darm te kunnen worden gereduceerd tot nitriet, waardoor een methemoglobinemie onstaat, die onder cyanotische verschijnselen tot een dodelijke zuurstofnood kan leiden. Trines (11) beschrijft een aantal gevallen waarbij resp. 200 mg/l en 212 mg/l NO, in het verdunningswater fatale gevolgen hebben. Het grondwater uit eenvoudige putten kan vaak nog veel grotere hoeveelheden nitraat bevatten. Zo vermeldt Trines watersoorten met 5 a 600 mg NO,! Hiervoor moet de bovengrond sterk verontreinigd zijn geweest met stikstofhoudende verbindingen (afvalstoffen), die weliswaar vér waren gemineraliseerd door oxydatie, maar dat betekende hier dus geenszins dat het water daardoor geheel gezuiverd en dus onschadelijk zou zijn geworden. Zo het oxydatief vermogen van de bodem tekort schiet

dan zal de gereduceerde toestand van het water nog steeds aanwezig zijn en er kan sulfaatreductie worden gevonden met de daarbij gevormde zwavelwaterstof; tevens wordt door de CO,-ontwikkeling en de veelvuldige aanwezigheid in de bodem van ijzerverbindingen ferrobicarbonaat in het water aangetroffen. Naast ferro worden zeer vaak ook mangano-verbindingen gevonden. Wanneer de vrije zuurstof, de nitraat-zuurstof en ook de sulfaat-zuurstof als waterstof-acceptor zijn verbruikt ZOU men kunnen denken, dat de fosfaat-zuurstof nog mogelijkheden zou bieden. Het is echter nooit gelukt om in de natuur fosfaatreductie aan te tonen, zodat als laatste mogelijkheid nog overblijft dat het ene deel van het organische molecuul optreedt als waterstof-acceptor voor de waterstof uit het andere deel. Een voorbeeld daarvan hebben wij in de methaan gisting, waarbij uit 1 molecuul vetzuurzout, bv. acetaat, methaan en koolzuur ontstaat. CH, . COOH + CH, + CO, Niet alleen kan methaan worden gevormd uit alifatische verbindingen, doch ook uit aromatische, zoals benzoëzuur. 4 C,H, . COOH 18 H,O 15 CH, + 13 CO, Weliswaar blijkt bij nadere bestudering de reactie niet zo eenvoudig te zijn als men zou denken; het is niet de simpele verhuizing van een waterstof-atoom zoals Kamen aantoonde door in de CH,-groep of in de COOH groep een gemerkt C-atoom in te bouwen, doch wij mogen wel stellen dat het ene deel van het molecuul wordt gedehydreerd en het andere gehydreerd. Hebben de methaan-bacteriën een speciale voorkeur voor de vorming van CH,, er zijn ook soorten, die koolwaterstoffen met meer C-atomen kunnen produceren. Barker ontdekte een bacterie die in staat was uit methanol capronzuur (C,H,,O,) op te bouwen. Iets dergelijks kan zeer goed geschieden bij de vorming van koolwaterstoffen met langere keten in de natuur. Op grond van het feit, dat onder de aardoliën ook optische activiteit voorkomt neemt men aan dat zij door vérgaande reductie uit plantaardig of dierlijk materiaal zijn ontstaan, uiteindelijk althans enerzijds tot verbindingen, die aan de koolstof slechts waterstofatomen dragen. Bij de methaangisting ontstaat dus enerzijds CO,, doch anderzijds CH,, een buitengewoon stabiele verbinding. Ook in hogere koolwaterstoffen zijn de waterstof-atomen zo stevig veranderd dat zij niet op sulfaat- of nitraatzuurstof kunnen worden overgedragen. Onder gunstige omstandigheden zou een omzetting alleen mogelijk zijn

+

+

met vrije zuurstof en wij kennen dan ook de aerobe oxydatie van koolwaterstoffen. In het zoute water, dat veelvuldig bij olievoorkomens wordt aangetroffen ontbreekt steeds het sulfaat. De koolwaterstoffen zijn daarbij stabiel. Deze zienswijze stemt geheel overeen met de ervaring dat koolwaterstoffen, die in de bodem zijn gedrongen, daar praktisch niet meer veranderen. Vandaar dat men bij het sterk toenemende gebruik van stookoliën voor huisverwarming, steeds meer gevallen vindt gesignaleerd van verontreiniging van het grondwater door lekken van ondergrondse olie-opslagplaàtsen (12). Het geval van bodemverontreiniging in de oorlog van het tankstation van de geallieerde legers bij Wezel, dat in de na-oorlogse jaren een verplaatsing van het waterwingebied noodzakelijk maakte is overbekend. Het is dan ook alleszins begrijpelijk dat voor het verrichten van boringen naar aardolie in het Haagse drinkwatergebied als voorwaarde werd gesteld dat het gehele emplacement van een betonafdichting met opstaande rand moest worden voorzien. Wij hebben gezien dat bij de dehydreringen veelal koolzuur als eindprodukt ontstaat. Grondwater kan dan ook belangrijke hoeveelheden CO, bevatten en het is duidelijk dat, wanneer zich in de bodem schelpen of CaCO, in andere vorm bevinden, hieruit een water van grote tijdelijke hardheid kan ontstaan. Wanneer dit bovendien nog gepaard gaat met sulfaatreductie kan het water aanmerkelijke hoeveelheden ferro-bicarbonaat bevatten, naast vrij H,S en CO,. In de minerale wateren van Spa treffen wij vaak nog een extra hoeveelheid CO, aan, waarvan V a n Beneden (13) aanneemt dat deze van vulkanische oorsprong is. Dit bronwater is zo weinig in evenwicht met atmosferische omstandigheden, dat het aan de lucht direct troebel wordt; koolzuur ontwijkt en ijzerverbindingen zetten zich af. De uitvoerige analyses tonen de volgende kationen aan: Li', Na', K', Mg", Ca", Ba", Sr", Fe", Mn" en Al"', benevens de volgende anionen Cl', SO," en HCO,'; de reactie op boorzuur en kiezelzuur is positief. Is het in principe reeds moeilijk om te zeggen welke veranderingen het water van het maaiveld naar het grondwater zal ondergaan door de fragmentarische kennis van de bodem, die slechts heel in het algemeen als homogeen mag worden beschouwd, zo is het uiteraard uitgesloten om te voorspellen wat deze samenstelling zal zijn wanneer het verkregen water voor een deel uit diepere regionen afkomstig is, en de studie van de verschillende grondwatertypen moet zich beperken tot het

indelen in verschillende typen, waarbij de analyse van het water als uitgangspunt dient bij de mogelijke verklaring hoe deze samenstelling tot stand is gekomen. Ook Gerb (14) gaat op deze wijze te werk en hecht een zeer grote waarde aan het voorkomen van koolzuur in het water. Fast en Sauer (15) nemen de hardheid (die verband houdt met de hoeveelheid koolzuur) als indelingsmaatstaf, waarbij dan een onderverdeling met ,,vrij koolzuur" en ,,zuurstof2'wordt gemaakt. Uiteraard geldt hun beschouwing voor de grondwateren in Baden-Wurttemberg. Maar het streven om tot een zekere systematische indeling te komen van de voorkomende grondwatersoorten is vrij algemeen. Of men daarbij moet uitgaan van de zuiver chemische samenstelling van het water, dan wel dat het algemeen chemisch-biologische karakter van meer belang moet worden geacht kan ter discussie worden gesteld. Vast staat m.i. echter wel dat in de allereerste fase van de grondwatervorming de biogene veranderingen zeker een rol hebben gespeeld. F. Laten wij thans nog een ogenblik nagaan wat het lot is van de bewerkers van deze biogene omzettingen. Wanneer wij weer eenvoudige omstandigheden kiezen, zoals deze zich bv. voordoen in de infiltratievijvers van verschillende waterleidingbedrijven in het westen van ons land, dan dringt daar water met een kiemgetal van beneden de 1000 kiemen per ml, waarin E.coli aanwezig is 1ml, in een bodem die uit fijnkorrelig zand bestaat (eff.size 0,l-0,15 mm). De bacteriën kunnen nu in leven blijven doordat zij organische stoffen en vrije zuurstof tot hun beschikking krijgen voor aerobe afbraak. Onder deze omstandigheden komt veel energie vrij voor opbouw van nieuw celmateriaal. Onder ietwat schamele omstandigheden waarbij bv. de zuurstof slechts in gebonden vorm beschikbaar is (nitraten) zal meer brandstof nodig zijn om dezelfde hoeveelheid celmateriaal te produceren en wanneer wij een anaerobe toestand hebben, blijkt vaak 90-95% van het substraat als energiebron te moeten functioneren en slechts -10 % kan voor nieuw celmateriaal worden gebruikt. De omstandigheden op de bodem van een infiltratievijver en in de bovenste bodemlagen zijn bepaald niet gunstig voor sterke bacterievermeerdering. Weliswaar zijn organische stoffen, vrije zuurstof en vaak nitraatzuurstof aanwezig, doch het aantal bacteriën is zo groot dat de indruk wordt verkregen dat in deze bovenste lagen een strijd op leven en dood plaats vindt, een werkelijke ,,stuggle for life", waarbij diegenen de beste kan-

DIEPTE

IN cm

Afb. 4 Bacterie-aantal per gram grond b@ toenemende diepte onder bodem infiltratie-bassin

sen hebben die onder armelijke omstandigheden nog in leven kunnen blijven. Afb. 4 geeft allereerst een beeld van de afneming van het kiemgetal per gram grond met toenemende diepte. Het aantal sporenvormende bacteriën, dat aanvankelijk in het vijverwater 1,3%bedroeg loopt op tot 20% ! Wanneer de omstandigheden gunstig zijn blijkt het mogelijk de bacteriën reeds op vrij korte afstavd kwijt te raken. Het is ook mogelijk om het grootste deel van de organische stoffen in de bovenste zandlagen kwijt te raken. Bij onvolledige oxydatie (dus niet tot CO,, H,O en NO,) zullen deze afbraakprodukten zich echter in benedenwaartse richting kunnen verplaatsen. Het is in de praktijk moeilijk gebleken ook smaakstoffen door eenvoudige zandfiltratie kwijt te raken en door een vliegtuigongeluk, dat enige jaren geleden in het Leidse waterwingebied plaats vond, kreeg het Leidse drinkwater enige tijd daarna een benzinesmaak! Wij kunnen weliswaar veel verwachten van een natuurlijke zuivering van licht verontreinigd water, maar mogen zeker niet stellen dat in de bodem alles zal worden gemineraliseerd.

Behalve de olieprodukten worden tegenwoordig nog meer chemische verbindingen geproduceerd die moeilijkheden kunnen opleveren, zoals kunstmatige wasmiddelen. Wij weten uit de afvalwaterzuiveringstechniek dat onder de bij uitstek voor afbraak van organische stoffen geschikte omstandigheden in de- aeratiebassins tóch de tertiaire alkyl-arylsulfonaten niet of nauwelijks worden afgebroken. Vaak wordt 75% van deze verbindingen met het effluent op openbaar water geloosd en pas op de lange duur kan onder aerobe omstandigheden afbraak plaats vinden. Dit moge blijken uit het volgende voorbeeld (16). Het stadje Chanute (Kansas, V.S.) werd begin 1957 door een ernstige droogte getroffen, zodat de drinkwaterstuwbekkens opdroogden. Het idee om het verbruik van 6300 m3 per dag te verminderen door de industrie stil te leggen werd niet acceptabel geacht. Putwater was slechts op 8 km afstand en 50 m diepte te vinden met +. 1000 mg Ca0 en 630 mg SO, per 1. Aanvoer per trein zou 1 dollar per m q o s t e n ; bovendien waren niet genoeg tankwagens aanwezig. Een tijdelijke verbinding met de dichtstbijzijnde, wél watervoerende rivier zou een persleiding van 28 km vergen en over een heuvel van 120 m leiden. In deze noodtoestand besloot men het afvalwater na volledige biologische zuivering gedurende 17 dagen in het drooggevallen stuwbekken te bewaren en het daarna met de gebruikelijke methodieken zo mogelijk in drinkwater om te zetten. Qe resultaten zijn zeer leerzaam. De eerste 2 maanden werd alles in het werk gesteld om door extra circulatie het effluent van de afvalwaterzuiveringsinstallatie zo goed als mogelijk te maken. Gedurende de laatste 3 maanden werd het bovendien nog gechloord. Wij moeten ons echter wel realiseren dat het water dus extra fosfaten, en meer nitraten dan gebruikelijk is bevat, naast een zekere hoeveelheid gechloorde en niet afgebroken of niet door chloor aan te tasten organische verbindingen. De bacteriën, die in het effluent nog voor 1/10 deel van het oorspronkelijke gehalte aanwezig plegen te zijn (wanneer wij het kiemgetal van het ruwe afvalwater op 1 - 10.000.000 stellen, bevat effluent nog 100.000 - 1.000.000 bacteriën, waarvan + 10% E.coli) zullen door deze breekpuntchloring wel zijn gedood. Over het lot van de vira weten wij echter zéér weinig. I n het stuwbekken had nog een kleine reductie van de biogeen omzetbare verbindingen plaats en ook de stikstofverbindingen verminderden. Zij werden ten dele vastgelegd in plantaardig materiaal, daar zeer sterke groei optrad. De componenten, die in de aerobe zuivering niet waren afge-

broken, bleven echter in het stuwbekken voor het grootste deel onaangetast. Het duidelijkste bleek dit wel wanneer een glas water werd getapt voor consumptie. Een bepaald ongewenste schuimlaag vormde zich op het water; wat was nl. het geval? In het afvalwatergedeelte van de zuivering werden de detergents, voor zover zij bestonden uit alkylsulfaten wel afgebroken, arylsulfonaten slechts voor i 25%. Van de resterende 75% verdween in het stuwbekken nog de helft, zodat nog 37% overbleef en men water dronk met 4 g detergents per 1. Dat daarnaast het water lichtgeel was en een muffe smaak en reuk vertoonde was misschien een nevenbezwaar, dat met verdere technische maatregelen op te heffen zou zijn geweest, doch het tegenwoordige gebruik van niet-afbreekbare kunstmatige wasmiddelen kan ver gaande consequenties hebben. Sayre en Stringfield (17) vermelden een geval waarin een zg. ,,weed killer" in het Los Angeles-gebied meer dan 32 km met de grondwaterstroom mee aflegde in 6 maanden tijds. I n enkele putten in de buurt van het verontreinigingspunt werd de verbinding pas 3 jaar later aangetroffen! In Zwitserland werden ernstige moeilijkheden veroorzaakt door het meikeververdelgingsmiddel: hexachloor-cyclo-hexaan, dat evenmin in de bodem werd afgebroken. Nu werd kort geleden op een bijeenkomst van het KonInst. v. Ingenieurs nog gesteld dat gezuiverd effluent misschien wel geschikt zou zijn voor bevloeiing van onze duingebieden en verrijking van onze grondwatervoorraad als zijnde zoet water, dat dus kostbaar is voor de samenleving. I n de eerste plaats moet men zich realiseren dat praktisch het gehele Hollandse duingebied fungeert als drinkwaterwingebied. Men zou derhalve moeten vragen of het effluent door de natuurlijke zuiverende krachten zodanig verder zou kunnen worden gezuiverd dat het, behoudens de gebruikelijke corrigerende bewerkingen, geschikt zou worden om als drinkwater te dienen. Welnu, wij hebben uit de literatuur en door ervaring gezien dat een aerobe aanval de grootste kansen biedt, zelfs voor aantasting van zo moeilijke verbindingen als koolwaterstoffen. Wanneer nu onder die omstandigheden de detergents niet worden afgebroken kunnen wij niet verwachten dat dit onder anaerobe omstandigheden in de bodem wél zal gebeuren. Zij komen dus in het grondwater terecht. Een ander bezwaar tegen het gebruik van zuiveringseffluent voor drinkwaterdoeleinden is gelegen in het feit dat bij iedere keer dat het water van drinkwater in af-

valwater overgaat, het chloridegehalte met 50 mg/l toeneemt . I n Chanute was het chloridegehalte tenslotte opgelopen tot ver boven de smaakgrens. De droogrest was van 2 - 500 mg opgelopen tot 1000 - 1200 mg/l. Naar schatting was het water toen 7 X gecirculeerd. Het is natuurlijk van essentieel belang of men in een noodtoestand verkeert of niet. Wanneer eenvoudig geen andere mogelijkheden bestaan wordt men wel in een bepaalde richting gedwongen. Zo overweegt men in Israël om uit afvalwater op de een of andere manier naast irrigatiewater ook drinkwater te produceren. Men moet hierbij echter uiterst voorzichtig zijn. Het systeem om bv. maar een grote dosis chloor te gebruiken ,,just to kil1 the bugs" is niet altijd aantrekkelijk naar Europese begrippen! Het moet onjuist worden geacht in dit verband te wijzen op het Ruhrgebied waar volgens zeggen het water 7 X wordt gedronken voor het in de Rijn komt. Men vergeet daarbij dat het drinkwater slechts een onderdeel is van de totale waterhoeveelheid, die aanwezig is, zodat daar bv. met het chloridegehalte geen moeilijkheden optreden. Ook bij de Rijn zelf is het chloride van humane afkomst te verwaarlozen vergeleken bij de zoutlozingen uit de Elzas.

Zou m e n echter in een b e p e l t circuit uit drinkwater + afvalwater + gezuiverd afvalwater + grondwater weer drinkwater trachten t e scheppen dan zou daarbij vrij zeker een te zware wissel worden getrokken op de zuiverende werking van de bodem, met als eindresultaat een volkomen teloor gaan van de goede eigenschappen, die het grondwater thans nog heeft e n die wij tot het uiterste moeten trachten t e behouden daar er hier geen eenvoudige ,,weg terug" is. Literatuur 1. K. W.H.Leeflang - Chemisch Weekblad 35 (1938) 658. 2. R. Wind - Med. Nr 12 van het I.T.B.O.N.(1952). 3. J. G.Maschhaupt - Lysimeteronderzoekingen aan het Rijkslandbouwproefstation te Groningen en elders. Alg. Landsdrukkerij (1941). 4. C. R. Baier - Journ. de I'eau. Luik (1955). 5. W. J. Kaufman en G. T. Orlob - JAWWA 48 (1956) 559. Het menselijk verbruik is k 10 gram NaCI per dag. Voor een stad als Den Haag met nog geen 100 1 drinkwaterconsumptie mag de waarde van 50 mg Cl' toeneming per eenmalig gebruik dus wel juist worden geacht.

'

M . E. Stas, L. H. Louwe Kooymans e n J. J. v a n IJssel - Water 21 (1937) 11. A. Kaesz - V o m Wasser 23 (1956) 70. M.A. Jansen e n H . J. Boorsma - Water 41 (1957) 150. W. Verhoeven - Aerobic sporeforming nitrate reducing bacteria. Diss. Delft (1952). Ontleend aan: Statistisch overzicht der Waterleidingen in Nederland (1950-'51). H. Trines - Verslagen Med. Volksgezondheid. mei/juni 1952. O. Jaag - Verslag 4e Seminar W.H.O. Opatija (1954). G. v a n Beneden - Recherches sur l'origine et la genese des eaux minérales de Spa et des Ardennes. Brussel (1947). L. Gerb - V o m Wasser 25 (1958) 16. H.Fast e n K. Sauer - V o m Wasser 25 (1958)48. A. N.Sayre e n V . T . Stringfield - J A W W A 40 (1948) 1153. D. F. Metzler e.a. - J A W W A 50 (1958) 1021.

Grondwaterrecht en bescherming van waterwinplaatsen door mr. G. W.Putto I. Inleiding

De 19e-eeuwse >wetgevingkent geen grondwater. Hiervan kan de wetgever geen verwijt worden gemaakt. In die dagen was nl. voor ieder het grondwater even onbekend als onzichtbaar. Het jaarboekje van ,,Oud Utrecht" 1926, bevat een artikel, dat in dit opzicht zeer leerzaam is. Het is van de hand van G . A. Evers en heeft tot titel: ,,Het vermaarde Utrechtse drinkwater". Hierin staat geboekstaafd, dat op 21 september 1806 de ,,Controleur de la bouche de S.M. le Roi de Hollande" een brief zond aan de Voorzitter van de Utrechtse Stadsraad, waarin de drinkwatervoorziening van Lodewijk Napoleon en zijn hof aan de orde wordt gesteld. ,,De vermaardheid van de wateren Uwer stad is aan Zijne Majesteit ter ore gekomen en ik heb opdracht U uit zijn naam te verzoeken hem dagelijks een tonvol van de beste kwaliteit te leveren". Aldus begint deze brief, die verder terstond in de bij zonderheden van het vervoer af daalt. De Utrechtse Magistraat ging gaarne in op dit verzoek. Zo ontwikkelde zich een geregelde drinkwaterlevering door Utrecht aan het Koninklijk Hof. Deze bezorgde aan het Utrechtse water de roep, dat het niet alleen goed, maar ook deftig was. Nieuwe afzetgebieden openden zich dan ook weldra. In 1808 werd een aanvang gemaakt met levering aan Amsterdam, waar het water blijkens de prospectus van de importeur ,,uit de zuiverste pompen, direct per nagtschuit, alle morgen versch.. ." werd gebracht. In 1860, d.w.z. zeven jaar na de ingebruikneming van de Amsterdamse waterleiding, werd nog een nieuw leveringscontract gesloten. Eerst omstreeks 1870 schijnt deze wateraanvoer te zijn gestaakt. Indien het hof enige summiere kennis van het grondwater van de Haagse duinen ten dienste had gestaan zou het toenmalige Utrechtse water roemloos door plaatselijke drinkers zijn geconsumeerd. Wat hadden de bewoners van Huis ten Bosch immers beter kunnen doen dan over kleine afstand goed water halen uit het nabij e duingebied?

Onwetendheid ten aanzien van grondwater was overigens geen Nederlands monopolie. ,,The source and flow of these waters are so unknown that it is impossible to formulate any legal rules governing them" constateerde een Engels vonnis. Een Amerikaans gerecht begon een overweging als volgt: ,,The physical laws governing underground water and its subterranean progress being irregular and unknowable with certainty, and such water being changeable and uncontrollable in character subject to secret incomprehensable influences . . .". I n de periode, waarin het hier weergegevene zich afspeelde kregen de meeste thans nog bestaande rechtsstelsels - waaronder het Nederlandse - hun beslag. Het is daarom geenszins verwonderlijk, dat de vorige eeuw ons geen rechtsregeling opleverde, met behulp waarvan grondwaterkwesties op maatschappelij k bevredigende wijze konden worden opgelost. 11. Kwantitatief aspect

A. Burgerlijk recht Het burgerlijk recht ontleent zijn naam aan het feit, dat het de verhoudingen van de burgers onderling regelt. Met deze vage aanduiding van het terrein van dit recht kan hier worden volstaan; het onderdeel van het burgerlijk recht, dat thans ter sprake komt, nl. het eigendomsrecht behoort immers tot de meest bekende maatschappelijke instellingen; bovendien strookt het opmerkelijk goed met de menselijke psychologie, waar de begrippen ,,ik" en ,,mijn" nogal centrale punten bezet houden. De oudste voorwerpen van eigendomsrecht zullen roerende goederen zijn geweest, bv. wapens en vee. Artikel 625 van het Burgerlijk Wetboek, dat de definitie van het eigendomsrecht geeft, maakt daarbij gebruik van de woorden ,,het regt om van eene zaak het vrij genot te hebben en daarover op de volstrektste wijze te beschikken". Het is duidelijk, dat de aldus uitgedrukte gedachte volledig tot haar recht kan komen bij roerende zaken, die men in de regel verkopen, schenken, vei-panden, al of niet gebruiken en vernietigen of in stand houden kan zonder dat dit bezwaren oplevert. Eigendom van de grond is van jonger datum en vergt al aanmerkelijk gecompliceerder regelingen. Artikel 626, eerste lid, van het Burgerlijk Wetboek bevat de bepaling dat de eigendom van de grond in zich bevat de eigendom van hetgeen op en in de grond is. Hieruit zou men kunnen afleiden, dat grondwater voorwerp van eigendom is, ook al staat het vast, dat de wetgever in 1838 bij de

vaststelling van deze bepaling volstrekt niet aan grondwater heeft gedacht. Wat zou echter de betekenis van een dergelijk eigendomsrecht zijn? Slechts deze, dat de watermoleculen bij hun reis door de grond bij het overschrijden van een perceelsgrens van eigenaar veranderen. Deze omstandigheid kan wellicht bepaalde gedachten opwekken bij een Inspecteur van de Omzetbelasting, het is niet mogelijk er een regeling uit af te leiden, die bv. rekening houdt met het feit, dat wateronttrekking in één perceel de grondwaterstand in aangrenzende percelen beïnvloedt. In de praktijk, waarmee wij dagelijks hebben te stellen, is de betekenis van het grondwater vooral afhankelijk van de vraag, of een zeker debiet voor onttrekking ter beschikking staat. De rechtsvragen, die het gebruik maken van een dergelijk debiet meebrengt, kunnen moeilijk worden opgelost met behulp van de traditionele dogmatiek van het eigendomsrecht. Bij de verhoudingen tussen mensen met betrekking tot grondwater is naar mijn mening in de eerste plaats van belang de vraag wie het water mag onttrekken. Voor ons burgerlijk recht luidt op deze vraag het antwoord: hij, die daartoe op enigerlei wijze beschikking heeft over voldoende grond om er een pompinstallatie op te plaatsen. Die beschikking kan men hebben als eigenaar; er zijn echter tal van andere rechtsvormen denkbaar. In de tweede plaats zou m.i. aan de orde moeten komen de vraag, of men ook water mag onttrekken, wanneer anderen daardoor schade lijden. Deze vraag heeft de Hoge Raad in 1944 ontkennend beantwoord in zijn bekende arresten in de procedures tussen de gemeente 's-Gravenhage en de heren Loudon en Jochems. Door een toevallige omstandigheid, nl. de redactie van de dagvaarding, is in deze procedures uitsluitend schade, veroorzaakt door de onttrekking van water aan de orde geweest. De schade veroorzaakt door onthouding van onder natuurlijke omstandigheden toevloeiend water werd dus niet in de beschouwingen betrokken. Intussen mag men m.i. aannemen, dat de rechterlijke macht geen verschil zal maken tussen beiderlei schade, met name niet nu artikel 6 van de Grondwaterwet Waterwet Waterleidingbedrijven vergoeding mogelijk maakt voor schade als gevolg van beïnvloeding van de grondwaterstand, hetgeen betekent, dat in deze wet aan beide soorten schade het zelfde rechtsgevolg wordt verbonden. In de derde plaats is er aanleiding voor de vraag, wie water mag onttrekken, wanneer een zeker grondwaterdebiet beschikbaar is en verschillende gegadigden ieder het totaal of het grootste deel daarvan wensen te gebrui-

ken. Op deze vraag geeft ons burgerlijk recht geen antwoord, evenmin als trouwens het publieke recht, wanneer de openbare drinkwatervoorziening niet in het geding is. In het ontwerp voor een nieuw Burgerlijk Wetboek wordt het mogelijk gemaakt een antwoord te geven op deze vraag. Boek 5, Titel 4, artikel 2, voorzover hier van belang, luidt nl.: ,,De eigenaar van een erf mag niet in een mate of op een wijze, die volgens regels van ongeschreven recht in het maatschappelijk verkeer niet betaamt, nadeel toebrengen aan de eigenaars van andere erven. . . door onttrekking van grondwater, tenzij hij krachtens wet of verordening bevoegd is tot de onttrekking, dan wel bij gebreke van zodanige wet of verordening de eigenaars van andere erven in het algemeen belang . . . de onttrekking behoren te dulden." Hier wordt derhalve aan de burgerlijke rechter overgelaten om uit te maken, of in het algemeen belang een bepaalde onttrekking dient te worden toegelaten. De burgerlijke rechter krijgt dus zekere bevoegdheden betreffende de politiek inzake de waterhuishouding. Hiervoor is deze magistraat stellig niet de meest aangewezen functionaris. Zolang echter een publiekrechtelijke regeling inzake de waterhuishouding ontbreekt is het toekennen van bovenbedoelde bevoegdheid aan de burgerlijke rechter een belangrijke verbetering vergeleken bij de bestaande situatie. Wanneer twee grondwateronttrekkers elkaar het aan land van derden te onttrekken water betwisten, ontbreekt thans een rechtsregel, die zich leent voor de oplossing van een dergelijk geschil. Het is nuttig om ook een blik te werpen op vreemde rechtstelsels. Deze lopen onderling zeer uiteen. In verschillende landen hebben de maatschappelijke behoeften geleid tot een verdere rechtsontwikkeling dan hier te lande bestaat. Het Romeinse recht nam als uitgangspunt het recht van eigendom. Voor de Romeinen gold de regel: ,,Porti0 enim agri videtur esse aqua", d.w.z. dat het grondwater wordt aangemerkt als een deel van de grond. Deze opvatting leidde tot een te grote beklemtoning van het recht tot onttrekking: ongeacht de schade aan andermans grond was de grondeigenaar gevoegd tot wateronttrekking. Opmerkelijk is, dat het ongecodificeerde Engelse burgerlijk recht, de Common Law, tot de zelfde regel kwam. In het ,,standaardarrest" Action v. Blundeli werd dit als volgt geformuleerd. ,,That the person who owns the surface may dig therein,

;

and apply al1 that there is found to his own purposes at his free wil1 and pleasure; and that if in the exercise of such right, he intercepts or drains off the water collected from the underground springs in his neighbours well, this inconvenience to his neighbour falls within the description of damnum absque injuria (d.w.z. niet onrechtmatig veroorzaakte schade, P.), which cannot become the ground of an action." Verondersteld wordt, dat de Engelse rechter tot deze uitspraak kwam enerzijds in verband met de onbekendheid van het gedrag van grondwater, anderzijds ter vermijding van moeilijkheden voor openbare werken zoals drooglegging van gronden. De Verenigde Staten van Noord-Amerika bieden een ware staalkaart van grondwaterrecht. In het oosten, dat betrekkelijk rijk aan water is geldt het zojuist aangegeven Engelse stelsel. Deze regeling was echter niet bevredigend voor de westelijke staten waar het water in mindere mate aanwezig is. In 1862 werd door het hooggerechtshof in New Hampshire een nieuwe rechtsregel geformuleerd, de zg. rule of reasonable use. ,,A man's right to use percolating water on his own land is limited by the corresponding rights of his neighbor and restricts each to a reasonable exercise of his own right, a reasonable use of his property . . .", aldus de formulering. In Californië ontstond een verdere ontwikkeling. In 1903 in het ,,standaardarrestMKatz v. Walkinshaw sprak het hooggerechtshof aldaar uit, dat een grondeigenaar niet slechts een redelijk gebruik van het water in zijn grond diende te maken, maar dat zijn gebruiksrechten dienden te worden gecoördineerd met overeenkomstige rechten van anderen. ,,Disputes between overlying landowners concerning water for use on the land to which they have an equal right, in cases, where the supply is insufficient for all, are to be settled by giving to each a just and fair portion", aldus de formulering van deze ,,rule bf correlative rights". Deze regel komt er feitelijk dus op neer, dat in geval van watertekort de betrokken grondeigenaren aanspraak kunnen maken op een evenredig deel van de totale hoeveelheid beschikbaar water. Een vierde rechtsregel in de Verenigde Staten kwam tot ontwikkeling in de zeer droge gebieden van dit land, nl. de ,,doctrine of prior appropriation". Deze ontstond in een mijngebied, waar het water nodig was om de claims te exploiteren en waar een evenredige verdeling van het beschikbare water voor niemand genoeg zou opleveren. Deze regeling komt hierop neer, dat hij, die het eerst water in gebruik neemt voor een nuttig doel, exclusieve

.

*

.

rechten heeft ten aanzien van de hoeveelheid water, die voor dat doel nodig is. In de Desert Land Act van 1887 kreeg dit stelsel wettelijke erkenning. Vergelijkt men de Nederlandse rechtspraak op het punt van grondwateronttrekking met deze Amerikaanse rechtstelsels, dan blijkt dat deze het meest overeenkomt met de rule of reasonable use die in 1862 werd geformuleerd. Het is m.i. niet te verwachten, dat de rechtspraak zich zal ontwikkelen in de zin van de rechtstelsels voor de droge gebieden in Amerika. Evenals elders is geschied mag immers worden verwacht dat aan de overheid bij publiekrechtelijke regeling bevoegdheden zullen worden toegekend voor de verdeling van het water, wanneer de verhouding tussen behoefte en beschikbare hoeveelheid een zekere distributie wenselijk maakt.

B. publiek recht Evenals het burgerlijk recht heeft het publiek recht in Nederland lange tijd het grondwater buiten beschouwing gelaten. 1. Hinderwet

De eerste wet, die te dezer zake van betekenis is geweest is de Hinderwet, een afstammeling van een Napoleontisch decreet van 1810 ,,relatif aux manufactures et ateliers qui répandent une odeur insalubre OU incommode." De Hinderwet is in opzet dan ook een wet, die de verhoudingen tussen buren regelt. Daartoe stelt zij het totstandbrengen van bepaalde inrichtingen afhankelijk van een vergunning, die in de meeste gevallen door Burgemeester en Wethouders van de betrokken gemeente moet worden verleend. Welke inrichtingen onder de Hinderwet vallen stond vroeger in de wet zelf vermeld, thans in het Hinderbesluit. Daaronder behoren ook elektromotoren en stoomwerktuigen waarvan het vermogen een zekere, betrekkelijk lage, capaciteit te boven gaat. Met behulp van de zeggenschap ten aanzien van deze krachtwerktuigen zijn grondwateronttrekkingen binnen de werkingssfeer van de Hinderwet gebracht. Dit vond plaats door beslissingen van de Kroon als beroepsinstantie t.a.v. uitspraken van lagere overheden. Bij Koninklijk Besluit van 19 juli 1892, nr 31, besliste de Kroon naar aanleiding van een aanvrage om vergunning voor een stoompompinstallatie ten behoeve van een waterleidingbedrijf, dat volgens de Hinderwet niet slechts vergunning wordt gevorderd voor de oprichting van enig stoomwerktuig afzonderlijk, maar voor de gehele inrich-

ting, die door stoom wordt gedreven, waartoe in dit geval mede behoorden de ,,welpijpen en buizen" van de drinkwaterleiding, waarmee, naar de verwachting van de appellant in deze zaak, water aan zijn gronden zou worden onttrokken. Voor de toepassing van de Hinderwet was het niet van betekenis, of vergunning werd gevraagd ten behoeve van de openbare drinkwatervoorziening dan wel voor een ander doel. Voor de drinkwatervoorziening was dit bezwaarlijk, aangezien volgens het stelsel van de Hinderwet vergunning moest worden geweigerd voor iedere voorgenomen wateronttrekking, die zou leiden tot schade, die niet door het stellen van voorwaarden kon worden voorkomen. Onder deze voorwaarden kon intussen niet worden opgenomen de bepaling, dat toegebracht schade moest worden vergoed. Zo is dan ook wel een voor de openbare drinkwatervoorziening gevraagde Hinderwetsvergunning geweigerd. Bij besluit van 7 februari 1938, nr 39, weigerde de Kroon vergunning voor het plaatsen van een reservepompinstallatie voor het waterleidingbedrijf te Loosdrecht, gezien de hiermee gepaard gaande mogelijkheid van toeneming van de wateronttrekking. Door de totstandkoming van de Grondwaterwet Waterleidingbedrijven worden thans de voorgenomen wateronttrekkingen ten behoeve van de openbare drinkwatervoorziening op andere wijze beoordeeld. Voor andere gebruikers van grondwater is echter nog steeds de Hinderwet van kracht. 2. Grondwaterwet Waterleidingbedrjjven

Vóór de inwerkingtreding van de Grondwaterwet Waterleidingbedrijven was de juridische positie van openbare drinkwatervoorzieningen ten aanzien van de onttrekking van grondwater niet sterk. Enerzijds bestond immers een burgerrechtelijke barrière sinds de beslissing van de Hoge Raad, dat wateronttrekking aan andermans gronden met schadelijke gevolgen als onrechtmatig moest worden aangemerkt. Dit zou immers kunnen betekenen, dat een dergelijke wateronttrekking zou moeten worden gestaakt. Anderzijds was er de publiekrechtelijke slagboom van de Hinderwet, die de pas afsneed aan voorgenomen wateronttrekkingen, die schadelijke gevolgen voor andere belanghebbenden bij het grondwater zouden kunnen hebben. In feite was het constateren van het bestaan van grondwater door administratieve en burgerlijke rechter gepaard gegaan met het toeken-

nen van rechtsmiddelen aan grondeigenaren en -gebruikers die tegen de openbare drinkwatervoorziening zouden kunnen worden gebruikt. I n de 19e eeuw was er weinig aanleiding geweest voor conflicten met de openbare drinkwatervoorziening. Door de geringere bevolkingsdichtheid was het niet moeilijk om geschikte winplaatsen van grondwater te vinden. Van de zijde van de landbouw werden weinig klachten gehoord over verdroging. Pompstations werden dan ook veelal opgericht op woeste gronden buiten de landbouwgebieden. Van landbouwzijde is er intussen wel eens op gewezen, dat men in de vorige eeuw minder goed dan thans op de hoogte was van de betekenis van het grondwater voor de bodemcultuur en dat de gemoedelijkheid van de toenmalige agrariërs wel eens in verband zou kunnen staan met hun gebrek aan kennis. In 1901 drong de directie van de Nederlandsche Heidemaatschappij bij de regering aan op een wettelijke regeling voor wateronttrekking door waterleidingbedrijven ter voorkoming van schade, door wateronttrekking veroorzaakt aan bodemcultuur en watervoorziening. Het feit, dat een vooraanstaande instelling als de Nederlandsche Heidemaatschappij deze stap deed, wijst erop hoezeer de belangstelling in landbouwkringen voor het grondwater was toegenomen. Deze belangstelling leidde wel eens tot de mening, dat verdrogingen, waaraan waterleidingen part noch deel hadden toch op de een of andere wijze door deze instellingen werden veroorzaakt. Zij leidde gelukkig ook tot verdieping van het wetenschappelijk inzicht. Daardoor werd het mogelijk, dat landbouwen waterleidingdeskundigen in goede harmonie zouden samenwerken. Een dergelijke samenwerking vond plaats in de in 1927 ingestelde commissie, die een onderzoek instelde naar aanleiding van een plan van de gemeente Amsterdam tot het stichten van een waterwinplaats op de Veluwe. Overeenkomstig het advies van deze commissie stelde de Minister van Economische Zaken in 1934 de thans nog bestaande Commissie inzake wateronttrekking aan de bodem in. Hierin hebben zitting deskundigen op het gebied van de landbouw, de bosbouw, de bodemkunde, de geohydrologie en de waterstaat. Deze Commissie heeft o.a. vele adviezen uitgebracht met betrekking tot de toepassing van de Hinderwet. De samenwerking in deze commissie beeft zozeer voldaan, dat in de adviescommissie voor de toepassing van de Grondwaterwet Waterleiding bedrijven de zelfde deskundigen zijn benoemd.

Is het overleg tussen deze deskundigen in vele gevallen nodig, bij de toepassing van de Grondwaterwet Waterleidingbedrijven kan het zeer zeker niet worden gemist, aangezien de drinkwatervoorziening in deze wet een bevoorrechte juridische positie heeft. Wanneer vergunning voor een zekere onttrekking wordt verleend moeten de eigenaren van gronden, die in de omgeving van de winplaats zijn gelegen immers de onttrekking van water aan hun gronden gedogen. Wel wordt, in geval schade ontstaat vergoeding daarvoor gegeven, doch een zodanige gedoogplicht kan desondanks een ernstige ingreep in de particuliere eigendom betekenen. De vergunning wordt door de minister van Sociale Zaken en Volksgezondheid dan ook slechts gegeven, wanneer het algemeen belang zulks vereist. Uiteraard zal de minister hierbij verschillende algemene belangen tegen elkaar afwegen. Een dergelijke vergunning heeft een tweeledig karakter. In de eerste plaats wordt een wateronttrekking toegestaan, die tevoren verboden was; in de tweede plaats wordt een gedoogplicht gelegd op de eigenaren van gronden, waarin de stand van het grondwater wordt beïnvloed door de toegestane wateronttrekking. De aanvrage om vergunning, gericht aan de minister van Sociale Zaken en Volksgezondheid, wordt ingediend bij Gedeputeerde Staten der betrokken provincie. De aanvrage wordt met een desbetreffend advies van de Commissie Grondwaterwet Waterleidingbedrijven ter inzage gelegd ter secretarie van de gemeenten, waar de voorgenomen onttrekking van invloed zou kunnen zijn. Belanghebbenden kunnen bezwaren inbrengen. Deze bezwaren worden alleen dan van betekenis geacht, indien zij betrekking hebben op de algemene aspecten van de voorgenomen waterwinning. Het enkele feit, dat schade wordt toegebracht aan gronden staat op zichzelf een verlening van de vergunning niet in de weg, aangezien de wet vergoeding c.q. ondervanging daarvan in het vooruitzicht stelt. Na de ter - inzage-legging brengen de betrokken colleges van Burgemeester en Wethouders en van Gedeputeerde Staten, alsmede de Commissie Grondwaterwet Waterleidingbedrijven advies uit omtrent de aanvrage en de eventuele bezwaren. Hierna beslist de Minister, tegen welk besluit beroep bij de Kroon kan worden ingesteld. De mondelinge behandeling van een ingesteld beroep vindt plaats op een zitting van de Afdeling voor de geschillen van bestuur van de Raad van State.

Indien aanspraak wordt gemaakt op schadevergoeding is het de taak van de Commissie Grondwaterwet Waterleidingbedrijven om, indien zij althans de aanspraak gegrond bevindt, een regeling tussen partijen te bevorderen. Wordt terzake geen overeenstemming bereikt, dan kan de eisende partij zich tot de burgerlijke rechter wenden. 3. Wetgeving in het buitenland

Het is ondoenlijk om in kort bestek een overzicht te geven van buitenlandse wetgevingen op het onderhavige gebied. Deze zijn zeer talrijk en gevarieerd. Vaak worden beperkingen betreffende de onttrekking van grondwater uitgevaardigd voor bepaalde gebieden. Dit is bv. het geval in Nieuw-Zeeland, welk land, voor zover mij bekend, de meest uitvoerige speciale wettelijke regeling inzake grondwater heeft. Ook is dit het geval in Frankrijk en Engeland. Zeer de aandacht waard is de ,,Wasserhausshaltsgesetz" van de Duitse Bondsrepubliek, waarvoor de datum van inwerkingtreding is bepaald op 1 maart 1960. Dit is een raamwet, die bindende richtlijnen bevat voor door de ,,Lander" vast te stellen wetten. De raamwet bepaalt, dat voor het onttrekken van grondwater een overheidsvergunning nodig is. Deze kan twee vormen hebben, nl. die van een ,,Erlaubnis9', een opzegbare vergunning, en die van een ,,Bewilligung", een concessie, die zonder schadevergoedig niet kan worden beperkt of ingetrokken. Deze laatste vorm dient voor het geval, dat van een ondernemer moeilijk kan worden verwacht, dat hij het project, waarvoor de wateronttrekking nodig is, tot uitvoering brengt zonder een met rechtszekerheid omklede positie, zomede, wanneer de wateronttrekking zal plaatsvinden in het kader van een algemeen plan. Het komt mij voor, dat op basis van deze nieuwe wet in Duitsland een bevredigende regeling van de grondwateronttrekking kan worden verkregen. Tenslotte zij vermeld, dat evenals bij het burgerlijk recht de wetgevingen variëren naar gelang van de mate van beschikbaarheid van water. Zoals mag worden verwacht treedt de overheid gestrenger op naarmate minder water aanwezig is. 111. Bescherming van waterwinplaatsen

De bescherming van waterwinplaatsen is in zekere zin

een negatieve zaak. De natuur stelt doorgaans goed water ter beschikking, dat door menselijke handelingen in de meeste gevallen in kwaliteit zal achteruitgaan. De hier besproken bescherming is tegen dergelijke menselijke handelingen gericht. Een vurig hygiënist zal streven naar een waterwinplaats, waar niets wordt toegelaten, behalve de regen. A. Burgerlijk recht 1. Eigendom

De meest volledige beschikkingsbevoegdheid t.a.v. gronden geeft het recht van eigendom. Met het oog op de bescherming in hygiënisch opzicht is het dan ook wenselijk te achten, dat de winningsmiddelen en hun omgeving zich bevinden op gronden, die in eigendom aan de exploitant van het waterleidingbedrijf toebehoren, Hoever de eigendom zich zal moeten uitstrekken zal afhankelijk zijn van plaatselijke omstandigheden. Mede met het oog op toekomstige uitbreidingen zal het echter van wijs beleid getuigen, wanneer het in eigendom bezeten terrein niet krap wordt bemeten. Tegelijk met de totstandkoming van de Grondwaterwet Waterleidingbedrijven is een aanvulling van de Onteigeningswet vastgesteld, waardoor het mogelijk wordt om door middel van een verkorte onteigeningsprocedure voor een waterleidingbedrijf gronden te verwerven, nodig voor de onttrekeking van water aan de grond ten behoeve van de openbare drinkwatervoorziening. Deze regeling kan ook worden gebruikt voor het verwerven van gronden met het oog op bescherming in hygiënisch opzicht. 2. Erfpacht

Dezelfde beschikkingsbevoegdheden als de eigenaar heeft, praktisch gesproken, de erfpachter van gronden. Uiteraard houden deze bevoegdheden op met het verstrijken van de duur van de erfpacht. Uit het oogpunt van de bescherming van waterwinplaatsen komt erfpacht in rangorde onmiddellijk na eigendom. 3. Erfdienstbaarheid

Het is mogelijk om bij notariële acte ter bescherming van een waterwingebied een erfdienstbaarheid te vestigen op gronden, die niet aan de exploitant van het wa-

terleidingbedrijf toebehoren. Het perceel, waarop het pompstation zich bevindt wordt daarbij aangemerkt als het ,,heersend erf", de .percelen, waarover de bescherming van het grondwater zich moet uitstrekken, als ,,dienend erf". De eigenaars van laatstbedoelde gronden behouden hun beschikkingsbevoegdheid, voor zover deze niet is beperkt door de erfdienstbaarheid. Deze laatste strekt in de regel tot het weren van bebouwing, de aanleg van sportvelden en kampeergelegenheden, opslag van olie en benzine en andere vormen van gebruik, die de kwaliteit van het grondwater nadelig kunnen beïnvloeden. De positie van de waterleidingexploitant is hier uiteraard zwakker dan bij eigendom of erfpacht. 4. Andere rechtsvormen

Andere rechtsvormen zijn zeer wel denkbaar. Zo zal bv. bij overeenkomst een zekere bescherming kunnen worden bedongen. De rechtspositie van het waterleidingbedrijf is hierbij echter zwakker, dan wanneer een zakelijk recht is gevestigd.

B. Publiek recht De - negatieve - strekking van de beschermingsmaatregelen wordt op kernachtige wijze tot uitdrukking gebracht in de belangrijkste bepaling, die het Duitse ,,Wasserhaushaltsgesetz" wijdt aan ,,Wasserschutzgebiete". I n deze gebieden kunnen nl. ,,bestimmte Handlungen verboten oder n u i fiir beschiankt zulassig erklart werden" (Par. 19, lid 2, onder 1). 1. Wetgeving op planologisch gebied

Dat de bescherming van het grondwater in Nederland verder is gevorderd dan in de ons omringende landen is te danken aan het feit, dat daartoe gebruik kon worden gemaakt van een onderdeel van het bestaande bestuursrecht, dat eveneens met bepalingen van negatieve strekking zijn doel tracht te bereiken, nl. de wetgeving op planologisch gebied. Indien in een uitbreidingsplan bv. bepaalde gronden als agrarisch gebied worden aangewezen, betekent dit niet, dat de gemeentelijke overheid de hand aan de ploeg zal slaan ter bewerking van het land. De aanwijzing houdt in, dat bebouwing en werken, die niet stroken met het agrarisch gebruik van de gronden, worden verboden. Het initiatief van de grondgebruikers krijgt dus alleen de gelegenheid zich te ontplooien in de richting, die in het kader van de ruimtelijke ordening

toelaatbaar is. De wettelijke term ,,bestemming van gronden" duidt, op de keper beschouwd, dus een complex van verbodsbepalingen aan. Zoals hieronder nader zal blijken is de bescherming van waterwinplaatsen nog niet volledig mogelijk krachtens de planologische wetgeving. Voorts zij aangetekend, dat in wetgeving en praktijk tot dusver in onvoldoende mate rekening werd gehouden met de gevaren, die voor het grondwater zijn verbonden aan verontreiniging van de bodem door olie en benzine. Dit is overigens begrijpelijk, aangezien de studie omtrent dit onderwerp hier te lande nog in een beginstadium verkeert. 2. Planologische regelingen

De planologische regelingen berusten op de Woningwet en op de Wet inzake het nationale plan en streekplannen. Bestuursorganen van het rijk zowel als van de provincies en de gemeenten hebben een uitvoerende taak. Voor de bescherming van waterwingebieden is de activiteit, die de Provinciale Besturen op uitnodiging van het rijk hebben ontplooid het belangrijkst geweest. De Woningwet, die de oudste van beide wetten is maakte aanvankelijk uitsluitend planologische voorschriften met betrekking tot het oprichten van gebouwen mogelijk. De in 1941 in werking getreden - na de oorlog in haar beginselen gehandhaafde - regeling inzake het nationale plan en streekplannen bracht ook werken, geen gebouwen zijnde, onder de zeggenschap van de planologische bestuursorganen. Onder deze ,,werkenHzijn geen eenvoudige handelingen begrepen, zoals agrarische bewerking van de grond of het in de grond storten van schadelijke stoffen. Het ontwerp voor een wet inzake de ruimtelijke ordening maakt mogelijk, dat ook met betrekking tot dergelijke handelingen voorschriften worden gegeven, wanneer dit voor het handhaven van een bestemming van belang is. Dit ontwerp is echter nog in behandeling bij de Staten Generaal. Thans kunnen wel bij provinciale of gemeentelijke verordening op dit gebied voorschriften worden uitgevaardigd. De activiteit van de Provinciale Besturen op het onderhavige gebied ontstond kort na de Tweede Wereldoorlog. In verschillende provincies zijn zg. facet-streekplannen vastgesteld of worden voorbereid. Hierbij wordt het gehele gebied van de provincie in ogenschouw genomen, voor zover dit van belang is voor de bescherming van de waterwingebieden. Dit geldt niet voor Limburg, waar het

eerste facet-streekplan werd vastgesteld. Dit had nl. alleen betrekking op de waterwingebieden in Zuid-Limburg. Het komt ook voor, dat de waterwingebieden worden opgenomen in een volledig streekplan, zoals is geschied voor Walcheren. De vaststelling van een streekplan impliceert, dat de gemeentelijke uitbreidingsplannen daaraan moeten worden aangepast. Twee provincies hebben tot dusver gebruik gemaakt van de mogelijkheid om bij verordening die handelingen te weren, die nog buiten het bereik van de planologische voorschriften zijn, nl. Utrecht en Gelderland. Hebben de planologische voorschriften in vele gevallen een goede bescherming gevormd voor de waterwinning, men mag niet aan het feit voorbijgaan, dat zij ook wel eens een bedreiging daarvoor zijn. Met name wordt bij de voorbereiding van gemeentelijke uitbreidingsplannen wel eens niet of onvoldoende rekening gehouden met het bestaan van waterwinplaatsen en de eisen, die de bescherming daarvan stelt. De projectie van wegen en bebouwing op gronden, die daarvan bepaald verschoond moeten blijven, kan intussen in vele gevallen worden voorkomen, wanneer voldoende contact bestaat tussen het waterleidingbedrijf en de stedebouwkundige ontwerper van de betrokken gemeente. 3. Andere regelingen

Incidenteel zal het mogelijk zijn van andere wettelijke regelingen gebruik te maken voor de bescherming van waterwinplaatsen. Zo zal bv. op grond van de Hinderwet in sommige gevallen kunnen worden bereikt, dat industrieën, vuilnisstortplaatsen en opslag van benzine elders moeten worden gevestigd dan in de nabijheid van een pompstation. 4. Regelingen in het buitenland

Ook op het gebied van de kwalitatieve bescherming van het grondwater lopen de regelingen in de diverse landen zeer uiteen. I n Nieuw-Zeeland bv. heeft de ,,Groundwater Authority" aanmerkelijke bevoegdheden tot het uitvaardigen van beschermingsvoorschriften. I n de Verenigde Staten is de bescherming van grondwater een zaak, die blijkbaar nog geen aandacht heeft gehad. Ook in België heeft dit punt nog niet de belangstelling van de overheid gekregen. I n Duitsland kunnen op basis van de nieuwe wet op de waterhuishouding ,,Wasserschutzgebiete" worden ingesteld. Dit is echter nog in voorbereiding.

In Engeland hebben verschillende waterleidingbedrijven verordende bevoegdheden op het onderhavige gebied. Hiertgenover staat hun verplichting tot het geven van schadevergoeding wegens ,,any curtailment of legal rights". Wellicht in verband hiermee wordt in Engeland ook beroep gedaan op planologische maatregelen ter bescherming van waterwinplaatsen. Bijzondere aandacht verdienen de voorschriften van enige Zwitserse kantons en Duitse ,,Lander" die strekken tot het tegengaan van de bodem door aardolieprodukten. IV. Slotbeschouwing Afgezien van de Grondwaterwet Waterleidingbedrijven zijn de publiekrechtelijke zowel als de privaatrechtelijke regelingen, die betrekking hebben op de winning van grondwater afkomstig uit een tijdvak, waarin het grondwater een onbekende zaak was en waterschaarste werd gezien als een on-Nederlandse eigenschap van verre woestijnen. De jurisprudentie van Kroon en burgerlijke rechter is van betekenis geweest voor schade aan gronden ten gevolge van wateronttrekking en heeft op andere gebieden geen nieuwe rechtsregels in leven geroepen. De vraag, wie over grondwater mag beschikken, dat zonder gevaar voor verdroging van gronden kan worden gewonnen, is nog niet aan de orde gekomen. Intussen is de feitelijke stand van zaken aanmerkelijk veranderd. Door uitbreiding van de bevolking en industrialisatie is het waterverbruik in sterke mate toegenomen. Voor de toekomst wordt een veelvoud van het huidige verbruik verwacht. De beschikbare hoeveelheid water is eerder kleiner dan groter geworden. Dezelfde factoren, die tot toeneming van het verbruik leidden veroorzaakten ook vermindering van de winningsmogelijkheden door bodemvervuiling e.d. In de toekomst zal het daarom nodig zijn een regeling te treffen, die mogelijk maakt, dat het grondwater ten goede komt aan die verbruikers, die uit een oogpunt van maatschappelijk nut daarvoor het meest in aanmerking komen. Plaatselijk doen zich op het onderhavige gebied reeds acute vraagstukken voor. Vandaar, dat enkele gemeenten verordeningen betreffende de onttrekking van grondwater voorbereiden. Een nationale regeling in het kader van wettelijke voorschriften betreffende de gehele waterhuishouding zal in de toekomst stellig niet kunnen worden gemist.

Een punt, dat daarbij onder het oog zal moeten worden gezien is de bescherming van toegestane onttrekkingen in kwantitatief opzicht. Thans kan het zich voordoen, dat aan de mogelijkheden tot waterwinning binnen de grenzen van een verleende vergunning afbreuk wordt gedaan door andere ontrekkers van grondwater dan de vergunninghouder. Waarschijnlijk zal het aanbeveling verdienen dergelijke inbreuken door een strafbepaling te weren. Op het gebied van de bescherming in kwalitatief opzicht is ook het gewenste punt nog niet bereikt. Thans wordt uitsluitend aandacht geschonken aan de bescherming van het grondwater, dat voor de openbare drinkwatervoorziening zal worden gebruikt. De vraag rijst of andere waterverbruikers ook geen bescherming behoeven. Het is voorts wenselijk, dat paal en perk kan worden gesteld aan de handelingen, die tot verontreiniging van de bodem kunnen leiden, en die thans niet onder planologische voorschriften vallen. Wanneer het huidige ontwerp voor een ruimtewet het Staatsblad zal bereiken, zal reeds een verbetering van betekenis zijn ingetreden. De bescherming van de bodem tegen verontreiniging door aardolie produkten zal vermoedelijk speciale maatregelen vragen. De totstandkoming daarvan wordt met de toeneming van het gemotoriseerd verkeer en van het gebruik van olie als brandstof steeds dringender. Literatuur P. Descroix - Le régime juridique des eaux souterraines e n France et à l'étranger. Parijs (1943). Regeling ter bescherming v a n de waterwinplaatsen in de provincie Gelderland. Uitg.: provincie Gelderland (1960). F. Kolb - Das Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushaltes. Keul e n (1958). Prof. W . F. J . M. Krul - Tijdschr. v . Volkshuisvesting e n Stedebouw (1953) 155. C. L. McGuinnes - Water Law, w i t h special referente t o ground water. Washington (1951). Mr. G. W . Putto - Water 32 (1948) (21) 197. Mr. G. W . Putto - De Nederlandse gemeente (1952) 528. Mr. G. W . Putto - Handelingen 4e congres Association internationale des distribution d'eau. Brussel (1958). Dr. P. D. M . Pijnenburg - De Nederlandse gemeente (1952) 369.

Grondwaterstanden door ir. J. H. Beltman

I. Hydrologische begrippen en definities

Alvorens het begrip grondwaterstanden te omschrijven en de verschijnselen die zich daarbij voordoen, lijkt het nuttig enkele hydrologische begrippen en definities in herinnering te brengen. a. Grondzoater; groizdzoaterspiegel of freatisch vlak I n ruime zin genomen verstaat men onder grondwater al het water in de ondergrond. I n meer beperkte zin echter beschouwt men als grondwater het water dat bij het graven van een gat in de grond vrij daarin uitstroomt van uit de wanden en het gat tot bepaalde hoogte vult. Het theoretische vlak, gevormd door de spiegels - oppervlakken - van dit grondwater, in een oneindig aantal gaten of putten in een bepaald gebied, noemt men de grondwaterspiegel of het freatische vlak. I n dit vlak is de hydrostatische druk gelijk aan de atmosferische druk. Beneden dit vlak verkeert het water onder hydrostatische, positieve druk, die met de diepte toeneemt, al of niet rechtlijnig, afhankelijk van de stromingstoestand. Deze afhankelijkheid van de diepte maakt de druk minder geschikt als grootheid bij berekeningen. Men heeft daarom het begrip potentiaal ingevoerd; dit is de stijghoogte van het grondwater in het beschouwde punt, gemeten t.o.v. een bepaald, horizontaal vergelijkingsvlak, bv. maaiveld of N.A.P. Bij water in rust of bij stromend water, waarbij de verticale component van de snelheid kan worden verwaarloosd, is de potentiaal in ieder punt van de verticaal gelijk. T.O.V.het zich boven en beneden het freatische vlak bevindende water is dit vlak geen reëel scheidingsvlak, echter wel t.o.v. de hydrostatische druk. Ter onderscheiding van de vrije waterspiegel in een put of sloot wordt het overeenkomstige freatische vlak in de grond het gesloten freatische vlak genoemd.

Boven dit vlak verkeert het grondwater onder negatieve druk, en wel tot een hoogte die de capillaire stijghoogte wordt genoemd. Dit capillaire water kan niet vrij uitstromen, omdat het in de poriën van de grond wordt vastgehouden door capillaire krachten. Deze zijn een sainenspel van oppervlaktespanning, cohesie en adhesie in de nauwe, grillig gevormde buisjes, gevormd door de poriën van de ondergrond, ten gevolge waarvan het water hierin wordt opgetrokken - opgezogen - totdat deze capillaire krachten evenwicht maken met het kolommetje water boven het freatische vlak. Het bovenste grensvlak van het capillaire water, het capillaire oppervlak, heeft een zeer grillige vorm, omdat nauwe en wijdere buisjes, waarin de capillaire stijghoogten sterk verschillen, naast elkaar in de ondergrond voorkomen. Het freatische water en het capillaire water vullen de poriën van de ondergrond geheel. b. Funiculair en pendulair water

Boven de capillaire zone komt ook water voor. Dit vult de poriën van de ondergrond echter niet geheel. Men ondeqscheidt daarbij 2 toestanden, nl. - gerekend vanaf het capillaire vlak - het funiculaire water en het pendulaire water. Het funiculaire water hangt nog wel samen en staat in capillaire verbinding met het eigenlijke grondwater; het pendulaire water hangt niet samen en staat niet meer in capillaire verbinding met het grondwater. Het wordt rondom de aanrakingspunten van de zandkorrels vastgehouden.

c. Spanningswater; piëzometrisch niveau Indien het grondwater voorkomt in een permeabel grondpakket onder een moeilijk doorlatende laag veelal een kleilaag - waarbij het grondpakket geheel met water is gevuld, dan spreekt men van spanningswater. Doorboort men de moeilijk doorlatende laag, dan zal het water in het boorgat opstijgen tot boven de onderkant van deze laag. De hoogte waartoe het water stijgt hangt af van de hydrostatische druk waaronder het water zich bevindt. Deze druk is een gevolg van het verschil in hoogte tussen de bovenkant van het watervoerende pakket (= onderkant kleilaag) ter plaatse van de boring en de grondwaterspiegel in de dagzoom daarvan, alsmede van de permeabiliteit van het watervoerende pakket en de afstand tussen boring en dagzoom.

Het theoretische vlak, gevormd door de waterspiegels in een oneindig aantal boringen die tot in het watervoerende pakket reiken, heet het piëzometrische niveau. Stijgt het aangeboorde spanningswater tot boven het maaiveld, dan spreekt men van artesisch water. d . Schijnspiegels Onder een schijnspiegel verstaat men een freatisch vlak van beperkte omvang, liggende op een hoger peil dan het ter plaatse aanwezige freatische vlak. Een schijnspiegel ontstaat, wanneer op grotere of kleinere afstand boven het funiculaire water een moeilijk doorlatende laag van beperkte uitgestrektheid voorkomt. Wordt deze laag doorstoken, dan zal het water snel wegzakken. Tot het verschijnsel behoort in zekere zin ook de plasvorming na een regenbui, wanneer de doorlatendheid van de ondergrond te klein is om het regenwater snel genoeg door te laten. I n theorie zouden in veel gevallen schijnspiegels kunnen voorkomen, nl. in die gevallen waar op zekere diepte in het profiel moeilijk doorlatende lagen voorkomen, als keileemlagen, oerlagen, kniklagen e.d. Veelal echter zijn de boven deze lagen voorkomende freatische vlakken tevens de doorlopende freatische vlakken, d.w.z. dat in deze omstandigheden onder deze lagen alle poriën zijn gevuld met water. I n feite zijn deze schijnspiegels, die dus in de grond aanwezig zouden kunnen zijn, veelal niet aan te tonen.

Wil men grondwaterstanden meten, dan dient eerst te worden gedefinieerd wat men hieronder wil verstaan. Het meest praktische is hieronder het meten van de potentiaal te verstaan. Weliswaar kan ook het capillaire oppervlak wel worden bepaald - hetgeen uit landbouwkundig en fysisch oogpunt vaak van meer belang is dan de potentiaal - doch deze methodiek is minder eenvoudig. In de praktijk zijn grondwaterstandsmetingen dan ook bepalingen van het freatische vlak of - in geval van spanningswater - van het piëzometrische vlak. De eenvoudigste methode is uiteraard het boren van een verticaal boorgat met een diameter van 8-12 cm en het bepalen hierin van de hoogte van de grondwaterspiegel t.o.v. een vergelijkingsvlak, bv. maaiveld of N.A.P. De methode is uiteraard alleen bruikbaar als het boorgat niet inkalft.

Beter is, in het boorgat een aantal drainbuizen op elkaar te plaatsen en de ruimte tussen de wand van het boorgat en de drainbuizen op te vullen met grof zand. Het systeem is langer houdbaar en bovendien vormt de bovenrand van de bovenste drainbuis een vast punt ten opzichte waarvan de waterspiegel kan worden gemeten. Deze methode is op grote schaal toegepast bij het onderzoek door de Commissie Onderzoek Landbouwwaterhuishouding Nederland (C.O.L.N.) in de jaren 1953 t/m 1955, waarbij in totaal 25.000 van dergelijke waarnemingspunten over heel Nederland verspreid, werden ingericht. Op den duur verzanden echter ook dergelijke drainbuizen. Duidelijk is dit in de afgelopen droge zomer gebleken, toen in de periode van 4 mei tot 12 oktober 752 van 2400 landbouwbuizen (door het Archief van Grondwaterstanden T.N.O. n a beëindiging van het C.O.L.N. onderzoek ,,overgenomen") moesten worden schoongemaakt. Voor grondwaterstandsmetingen van langere duur en ook voor minder goed doorlatende gronden - worden landbouwbuizen toegepast. Deze kunnen bestaan uit een ijzeren buis (oude vlampijpen) met een inwendige diameter van 3 a 4 cm, waarvan het onderste deel van gaatjes is voorzien. Dit deel is omwikkeld met jute teneinde het binnendringen van gronddeeltjes te voorkomen. Aan de onderzijde wordt de jute naar binnen omgeslagen en vastgezet met een houten prop. De buizen worden geplaatst in een boorgat met grotere diameter dan de buis, waarna de ruimte tussen buis en wand met zand wordt opgevuld. Zou men de buis zonder meer omlaag drukken in een boorgat van ongeveer dezelfde diameter als de buis dan bestaat de kans dat in kleiige gronden de jute wordt dichtgesmeerd. Door het Archief van Grondwaterstanden T.N.O. worden plastieken landbouwbuizen gebruikt, ter lengte van 2 en 3 m, waarvan de onderste 50 cm van spleten is voorzien (50 X 0,45 mm) ; aan onder- en bovenkant zijn de buizen voorzien van een rubberstop waarvan de bovenste is doorboord t.b.v. het ontwijken van lucht. Teneinde te controleren of de buis niet is verstopt, kan men naast de buis een gat graven of boren en nagaan of de grondwaterstand hierin even hoog is als in de landbouwbuis. Ook kan men de buis geheel met water vullen dan wel het water eruit pompen en opnemen hoelang het duurt eer de grondwaterstand zich weer heeft ingesteld. Daarbij dient er echter rekening mee te worden gehouden dat de doorlatendheid van de grond waarin de

van ca. 2000 cc water. In gronden met een geringe doorlatendheid zal het dus betrekkelijk lang duren eer de oorspronkelijke waterstand zich heeft hersteld. Er bestaat derhalve een verband tussen de toelaatbare diameter van de grondwaterstandsbuis en de doorlatendheid van de grond. De doorsnede moet kleiner zijn naarmate de doorlatendheid afneemt. In zeer slecht doorlatende gronden zou de doorsnede zeer klein moeten zijn, hetgeen praktisch niet mogelijk is, omdat men dan niet meer met een meetapparaat - bv. een peilklokje - erin kan. In dat geval gebruikt men zg. tensimeters of spanningsmeters, die de eigenschap hebben de spanning van het water aan te geven bij minimale toe- of afvoer van water. I n zijn eenvoudigste vorm is dit een peilbuis die geheel met water wordt gevuld, van boven wordt gesloten en wordt voorzien van een kwikmanometer (capillair). De capillair heeft een diameter van 1 mm, zodat t.o.v. een buis met 2" diameter 2500 X 13,6 maal zo weinig water nodig is voor toe- en afstroming. De meter reageert dus sneller en is ook in kleigronden bruikbaar. I n de landbouw en bij hydrologisch onderzoek wordt van tensimeters voor de bepaling van het freatisch vlak? geen of bijna geen gebruik gemaakt omdat de doorla-: tendheid van zanden altijd en die van kleien in de meeste gevallen voldoende groot is om gebruik te kunnen maken van grondwaterstandsbuizen. In de grondmechanica wordt daarentegen de tensimeter - zij het in verbeterde vorm - zeer veel toegepast.

eetinstrumenten Het eenvoudigste meetinstrument voor het bepalen van

107

voor metingen tot ca. 5 m diepte een peilklokje aan een ketting. I n verband met het uitslijten van de schalmen is geregelde ijking gewenst. Voor grotere diepten van het freatische vlak, tot 20 a 25 m beneden bovenkant buis wordt een messing meetband gebruikt in plaats van een ketting. Bij nog grotere diepten en bij metingen in pompputten waaraan water wordt onttrokken, hetgeen met enig geruis gepaard pleegt te gaan, wordt het onmogelijk het klokkende geluid van het peilklokje te horen. I n die gevallen wordt een elektrisch peillicht gebruikt, waarbij een lampje gaat branden zodra het peillicht het wateroppervlak raakt. Er bestaan in principe 2 uitvoeringen, nl. die waarbij het lampje (+ batterij) is opgenomen in het peillicht en die waarbij het lampje deel uitmaakt van het handvat. De nauwkeurigheid van het elektrische peillicht is groter dan die van het niet-elektrische. De genoemde peilapparaten geven uiteraard slechts een momentopname. Een continue opname kan worden verkregen door gebruik te maken van meetinstrumenten, voorzien van een vlotter met tegengewicht, waarbij de diepte van het freatische vlak kan worden afgelezen op een wijzerplaat, dan wel wordt opgetekend op een papierstrook die op een draaiende trommel is bevestigd (zelfregistrerende instrumenten). I n verband met de diameter van de peilput zijn vlotters met verschillende diameters in de handel. Voor het waarnemen van grondwaterstanden tijdens pompproeven in gebieden waar de grondwaterstand wordt beïnvloed door de fluctuerende beweging van eb en vloed, kan met voordeel gebruik worden gemaakt van een methode, volgens welke de diepte van de grondwaterstand in verschillende peilbuizen met behulp van een bepaalde gasdruk centraal wordt afgelezen op een serie manometers l.

Frequentie van de metingen; keuxe van instrument De frequentie van de metingen en de keuze van het instrument hangen samen en zijn van verschillende factoren afhankelijk. Metingen waarbij de invloed van de getijbeweging van de zee in rekening moet worden gebracht, dienen bij voorkeur continu te worden verricht, met een zelfregistrerend apparaat. Ir. J. H. Schileider - Wnter 24 (1940) (19) 153. Ir. A. van Riesen - Wccter 42 (1958) (15) 297. l

108

T.b.v. een onderzoek naar het verband tussen neerslag en verdamping werden in het kader van het reeds genoemde C.O.L.N. onderzoek gedurende 3 jaar dagelijks grondwaterstandswaarnemingen en verdampingswaarnemingen verricht op reeds bestaande regenstations van het K.N.M.I. (ca. 70 stations). De metingen werden steeds op een vast tijdstip - 8.40 v.m. - uitgevoerd door de regenwaarnemers van het K.N.M.I. De grondwaterstanden werden gemeten in grondwaterstandsbuizen met behulp van een eenvoudig peilklokje, hetgeen - mede in verband met de persoon van de waarnemer - voldoende nauwkeurig werd geacht. De verdamping werd bepaald met een verdampingsmeter volgens Piche. De frequentie van de metingen, verricht onder auspiciën van het Archief van Grondwaterstanden T.N.O. twee maal per maand, op de 14e en 28e - berust op de volgende overwegingen. Daar de waarnemers hun werk belangeloos zouden verrichten diende de frequentie niet te groot te zijn en ook moest het aantal jaren gedurende welke de waarnemingen moesten plaatsvinden zo klein mogelijk worden gehouden. Binnen het gekozen tijdperk zouden anderzijds voldoende waarnemingen moeten worden verricht om het lineaire mathematische verband tussen de grondwaterstanden in de putten in een statistisch homogeen gebied en de grondwaterstand in de als stamput voor dat gebied gekozen peilput, met voldoende nauwkeurigheid te kunnen berekenen. Op grond van deze overwegingen werd in 1948 de veertiendaagse frequentie gekozen met een duur van de waarnemingsperiode van minimaal 3 jaar. Wellicht zou een frequentie van 1 maal per 10 dagen voordelen hebben gehad, en wel in verband met de door het K.N.M.I. berekende decadensommen van de neerslag. Praktisch is echter een dergelijke frequentie onuitvoerbaar, gezien het aantal van ruim 2000 waarnemers, verspreid over geheel Nederland en behorende tot allerlei diensten en instellingen. Vaste data - de 14e en 28e van elke maand - prenten zich spoedig in het geheugen, vooral indien dit-nog wordt versterkt door een kalender en een zakagenda waarin deze data speciaal zijn gemarkeerd. Valt de dag van de waarneming echter steeds op een andere datum dan zal dit gemakkelijk worden vergeten. Bij de huidige frequentie is het verzuim zeer gering (enkele % ) en uitsluitend te wijten aan ziekte of weersomstandigheden. De keuze van het meetinstrument bij het Archief in gebruik berust op praktische en budgetaire gronden. In verband met het aantal waarnemers - thans ca. 2200

- en

het feit dat zij ongeschoold zijn, dient het meetinstrument goedkoop en eenvoudig hanteerbaar te zijn. Derhalve viel de keuze op het peilklokje, hetzij met ketting, hetzij met meetband, afhankelijk van de grondwaterstandsdiepte. In een dertigtal putten met diepe grondwaterstand (25-70 m -m.v.) worden elektrische peilklokjes gebruikt. Globaal geschat heeft het Archief f 20.000 geïnvesteerd in meetapparatuur. De nauwkeurigheid van de peilklokjes - enkele cm's - is voor het beoogde doel voldoende. Het werd nl. voldoende geacht indien de grondwaterstanden in de peilputten van een statistisch homogeen gebied met een nauwkeurigheid van 10 a 15 cm uit de grondwaterstand in de stamput van dat gebied zou kunnen worden berekend. De keuze van de frequentie van de waarnemingen t.b.v. het reeds genoemde C.O.L.N. onderzoek werd eveneens op praktische gronden gedaan. In totaal werden voor dit onderzoek 25.000 landbouwbuizen (tot een lengte van 2 m op elkaar geplaatste betonnen drainbuizen) geplaatst. Het grootste gedeelte van deze buizen werd 4 maal per jaar waargenomen, nl. op 28 april, 28 augustus, 14 oktober en 14 december. Deze data werden op grond van enkele vroeger verzamelde, langjarige reeksen van waterstandsgegevens zodanig gekozen dat een gemiddelde voorjaars-, zomer-, herfst- en winterstand kon worden verwacht. Een kleiner aantal buizen werd op de 14e en 28e van elke maand waargenomen en diende als stambuis voor de eerstgenoemde buizen, waarin op grond van het liniair mathematisch verband de grondwaterstanden op de 14e en 28e van elke maand werden berekend. Aldus werd het aantal voor de opname van de 25.000 buizen benodigde mandagen zoveel mogelijk beperkt.

Factoren die de grondwaterstand beïnvloeden De factoren die de grondwaterstand beïnvloeden kunnen worden onderscheiden in natuurlijke en kunstmatige. Deze laatste zullen hier buiten beschouwing blijven. O

a. De invloed van de regen, Lisse-effect

Wanneer regen op de grond valt met een intensiteit R schijfhoogte), dan zullen, aannemende dat de capillaire zone niet tot de oppervlakte reikt, de capillaire ruimten tussen de korrels dicht aan de oppervlakte water opzuigen, doch aanvankelijk niets doorlaten. Pas wanneer het gewicht van de waterkolommetjes groter wordt dan de capillaire kracht kan dragen, zal een deel

:(

verder de grond indringen en uiteindelijk ten goede komen aan de capillaire zone, waarvan het oppervlak stijgt. Ten gevolge hiervan stijgt dan ook het freatisch vlak. R Men zou verwachten dat deze verhoging S, = -zou zijn,

u

indien U het luchtpercentage (in volume percenten) van de grond boven het freatisch vlak is. Deze U kan uiteraard ten hoogste gelijk zijn aan het poriënpercentage p. Ten gevolge van de aanwezigheid van funiculair en pendulair water zal U < p zijn; voorts zal U in de pendulaire zone groter zijn dan in de funiculaire zone. Naar orde van grootte kan p op globaal 30% worden gesteld, zodat U vermoedelijk zal variëren van 10 tot 25 % . Dat wil dus zeggen dat S,, de stijging van het freatische vlak, gelijk kan zijn aan 4 tot 10 maal de regenintensiteit R, in ex; treme gevallen wellicht 20 maal R. Toch worden soms in verhouding tot de gevallen neerslag aanzienlijk grotere stijgingen van het freatisch vlak waargenomen. Dergelijke waarnemingen, met verhoudingen van 1 : 40 en meer, werden het eerst verricht in de tuin van de Tuinbouwschool te Lisse, met behulp van zelfregistrerende grondwaterstands- en regenmeters. Het verschijnsel heet dan ook sedertdien het Lisse-effect. De betreffende grond was een geestgrond, de waterstandsbuizen hadden een diameter van 30 cm. De verklaring van het Lisse-effect werd gegeven door Thal Larsen en moet worden gezocht in een verhoging van de druk van de lucht in de grond boven de capillaire zone, ten gevolge van het capillair indringen van het regenwater in de grond. In afb. 1 is schematisch het geval weergegeven dat het capillaire oppervlak op een bepaalde diepte beneden maaiveld voorkomt. Valt nu regen dan dringt deze capillair in de grond. Er ontstaat een soort deksel, waarvan de poriën met water zijn gevuld. Indien hierdoor geen lucht kan ontwijken, en de indringingsdiepte van de regen is n, de diepte van het capillaire oppervlak beneden maaiveld h, dan is de drukverhoging van de lucht boven het capillaire oppervlak W e afbeeldingen 1, 2, 3, 4 en 13 zijn ontleend aan het ,,Verslag van de 3e Technische Bijeenkomst op 23 mei 1947 van de Commissie voor Hydrologisch Onderzoek T.N.O." De afbeeldingen 6, 7, 8, 9, 10, 11 en 12 zijn ontleend aan: D. K. Todd - Ground Water Hydrology (1959). Aufzeichnung von Luftdruck Afb. 5 is ontleend aan: R. Mugge und Erdbebenwellen mit Hilfe von Brunnenspiegeln. ComptesRendus et Rapports de la Commission des Eaux souterraines. Ass. Intern. d'Hydrologic Scientifique I1 (1954)49.

-

1'ìiLr
S r r (Ie IV:JF I L maaiveld

A f b . 1 Verklaring va75 het Lisse-effect

Hma,

-

H=

-

C-

h-n

n -hl = - n atm = --- . 1000 cm water. h-n h-n h-n De negatieve capillariteitsdruk, die oorspronkelijk -H,,, n - . Derhalve moet het bedroeg, is thans - H,,,, h-n vlak waar de hydrostatische druk in evenwicht is met de n atmosferische druk, zich op een diepte H , ,, - --beh-n neden het capillaire oppervlak bevinden. Dat wil zeggen n dat het freatische vlak over een hoogte - omhoog is h-n gegaan. Dit is een statisch gebeuren; een deel van het capillaire water gaat over in freatisch water. Een waterverplaatsing vindt niet plaats, met uitzondering van de zeer geringe hoeveelheid die in de grondwaterstandsbuis moet vloeien om hierin de waterspiegel te verhogen. Indien bv. 1 mm regen valt en het poriënvolume van de droge grondlaag, met een dikte van bv. h = 100 m, bedraagt 25%, dan is de indringingsdiepte n = 4 mm. De stijging van het freatische vlak bedraagt dan

+

4

= 1000 cm = ca. 42 cm. 100 - 4 In werkelijkheid is de stijging van het freatisch vlak geringer, doordat natuurlijk wel een deel van de ingesloten lucht ontwijkt. Toch zijn schommelingen waargenomen die 50 tot 60 maal zo groot waren als de neerslag. Afb. 2 geeft een voorbeeld van het Lisse-effect.

b. Invloed van de verdamping

De poriën in de grond zijn, voor zover niet met water, met lucht gevuld. Het pendulaire en funiculaire water zal in een droge periode daarin verdampen, totdat de lucht met waterdamp verzadigd is. De vrij naar de oppervlakte uitmondende poriënkanaaltjes verliezen vocht naar de atmosfeer en zijn daardoor in staat steeds water uit de pendulaire, funiculaire en capillaire zones op te zuigen. Het capillaire oppervlak zal dus dalen, ten gevolge waarvan het freatische vlak daalt. Deze daling zal in een zekere verhouding staan tot de verdamping, indien deze laatste als een schijf water wordt aangeduid. In zandgronden met weinig slib of humus zal deze verhouding, indien de capillaire zone niet tot het maaiveld reikt, weer ongeveer 1 : 4 bedragen, indien althans al het verdampte water via capillaire opstijging wordt aangevuld. Deze verhouding kan echter veel groter zijn, indien de capillaire zone tot het maaiveld reikt en de ege en val i n m m middaq

cm,N.A.P

cm-N.A.P. 50

Afb. 2 Voorbeeld van het Lisse-effect

b5

middernacht

~ e i l s c h a a aan.de l vaart

standpijp op 7'12m vande vaart

maaiveld

Grondwal.riiondin in cm, m i Neeriloe in mm

I I

Afb. 3 Het Wieringermeereffect

menisken liggende in of nabij het maaiveld nog niet hun maximale kromming hebben. De verdamping heeft dan tot gevolg dat iets water van deze menisken verdampt totdat zij hun maximale kromming hebben verkregen, waardoor het freatische vlak daalt tot een diepte beneden maaiveld gelijk aan de maximale capillariteitsdruk, uitgedrukt in cm water. De maximale daling verkrijgt men als aanvankelijk het freatische vlak juist reikt tot het maaiveld en zich nog geen menisken hebben gevormd. Bij verdamping treedt dan een snelle daling van het freatische vlak op tot een diepte beneden maaiveld gelijk aan de maximale capillariteitsdruk, uitgedrukt in cm water. Waterverplaatsing vindt hierbij niet plaats; slechts gaat freatisch water over in capillair water, of m.a.w., het vlak, waarin de hydrostatische druk gelijk is aan de atmosferische druk, daalt. Alleen het water uit de grondwaterstandsbuis moet via capillaire opstijging verdampen. Dit verschijnsel werd het eerst waargenomen in zandgronden in de Wieringermeerpolder (soms 40 cm in 24 uur), zodat men dan ook spreekt van het Wieringermeereffect (afb. 3). Valt er weer regen, dan stijgt de grondwaterstand weer even sterk. Dit noemt men het omgekeerde Wieringermeeref f ect. Zowel bij het Lisse-effect als bij het Wieringermeereffect verandert bij de optredende stijging of daling van de grondwaterspiegel in de grondwaterstandsbuis praktisch niets in de waterhuishouding van de zandgrond. De geschetste verklaring van het Lisse-effect geeft tevens de verklaring van het in de landbouw bekende verschijnsel, dat aan ongunstige veranderingen in het weer, d.w.z. bij plotselinge daling van de luchtdruk, vaak een verhoogde werkzaamheid van draineerbuizen voorafgaat

G'

rL>,.

-

q,;-

-=-s

.-zm&c-g!j&.+.i !i&.&<

en het water in putten stijgt. De vermindering van luchtdruk in de atmosfeer verobizaakt nl. gedurende korte tijd een drukverschil tussen de buitenlucht en de in de grond ingesloten lucht. Dit drukverschil heeft hetzelfde effect als de besproken verhoogde luchtdruk boven de capillaire zone. Derhalve zal ook dán het freatische oppervlak stijgen en daarom het water in een put doen stijgen en een draineerbuis rijkelijker doen vloeien. c. Invloed van vorst en dooi

Het is een bekend feit, dat bij vorst de grondwaterstand daalt, om bij dooi weer te stijgen. Metingen onder de vorstlaag tonen aan dat de relatieve vochtigheid aldaar zeer gering is, doordat het water vermoedelijk in dampvorm naar hogere, koudere lagen diffundeert, aldaar condenseert en bevriest. Indien in de vorstperiode geen sneeuw valt en in de dooiperiode geen regen, dan bereikt de grondwaterstand na de dooi weer ongeveer dezelfde hoogte als vóór de vorstperiode. Een waterverplaatsing vindt bij deze daling en stijging van het freatische vlak - afgezien van de niet-capillaire ruimten - niet plaats, hetgeen alleen mogelijk kan zijn wanneer tijdens de vorst freatisch water overgaat in capillair water. In afb. 4 is duidelijk de veel sterkere daling van de grondwaterspiegel in de vorstperiode, dan in de voorafgaande of daarop volgende periode, te zien; de sterke stijging van de grondwaterspiegel in de dooimaaiveld

D~crmbri

Jonuori

Februari

Afb. 4 Het verloop van de grondwaterspiegel bij vorst e n dooi

periode kan niet op grond van de neerslag alléén worden verklaard. De daling van de grondwaterstand bij vorst heeft bij drains een teruglopen of geheel ophouden van de waterafvoer tot gevolg. Direct n a het invallen van de dooi gaan zij weer - of sterker - lopen, ook indien geen regen valt. d. Invloed van de barometv:stand

Drukschommelingen van de lucht veroorzaken veranderingen in de stand van het vrije freatische vlak in een put, echter niet of ten hoogste in zeer geringe mate veranderingen in de stand van het gesloten freatische vlak. De oorzaak hiervan is dat het vrije freatische vlak direct is blootgesteld aan de luchtdrukschommelingen, terwijl deze zich veel langzamer en met afnemende amplitude voortplanten in de poriën en capillairen van de omringende grond. Het aldus gevormde verschil in luchtdruk is oorzaak van de schommelingen van het vrije freatisch vlak. Niet iedere put zal dus even goed op veranderingen van de barometerstand reageren. Het verschijnsel hangt af van de snelheid waarmee de luchtdrukwisselingen zich in de ondergrond kunnen voortplanten. I n goed doorlatende grond zal het verschijnsel veel zwakker zijn dan in een slecht doorlatende grond. Voorts zal de vrije grondwaterspiegel beter reageren op luchtdrukschommelingen met een korte periode. Wanneer een luchtdrukverandering optreedt die in dezelfde zin enkele dagen aanhoudt, dan reageert de vrije grondwaterspiegel slechts zwak of in het geheel niet, omdat het verschil in luchtdruk op de vrije en op de gesloten grondwaterspiegel in dit geval steeds kleiner wordt en tenslotte nul kan worden. Een vermindering van de toeneming van de luchtdruk kan in zo'n geval zelfs aanleiding geven tot een daling van de vrije grondwaterspiegel. Deze verschijnselen werden o.m. bestudeerd op het Meteorologisch Instituut te Frankfurt aan de hand van langdurige waarnemingen (ca. 1% jaar). Barometerstand en grondwaterstand in een bij het Instituut gelegen put werden met gevoelige, zelfregistrerende apparaten gemeten. De put had een diameter van ca. 4 m; de grondwaterstand bedroeg 3-4 m beneden maaiveld; de ondergrond bestond uit sterk leemhoudend zand. Afb. 5 toont een gedeelte van de waarnemingen. Duidelijk komt hierin de stormramp in ons land op 31 januari 1953 tot uitdrukking. De grote, ongeveer 36 uur aanhoudende daling van de luchtdruk van de naderende cycloon wordt

26-1

27-1

11-1

19.1

30-1

31.1

i-n

Afb. 5 Invloed van de barometerstand op de flüctuaties van de grondwaterspiegel in een put bij het Meteorologisch Instituut te Frankfurt

ook gevolgd door de grondwaterspiegel. De microstructuur, die zeer levendig is op het moment van het invallende koudefront wordt door de grondwaterspiegel enigszins vertrokken, doch met zeer grote amplitude weergegeven. (De stormramp ging in ons land niet gepaard met dit koudefront, doch met een zeer grote windsterkte achter dit koudefront). De invloed van de barometerstand op spanningswater zal in het algemeen duidelijk tot uiting komen. De verklaring van het verschijnsel kan als volgt worden gegeven (zie afb. 6). Zij Ap, de verandering van de luchtdruk, Ap, de hieruit voortvloeiende verandering van de hydrostatische druk, en AS, de toeneming van de samendrukking van het pakket met spanningswater, dan is (1) AP, = AP, t A S C . /Ground surface-,

la) (b) Afb. 6 Verklaring van de invloed van de barometerstand op de stand van he6 piëzometrisch niveau

Afb. 7 Invloed van de barometerstand op de stand van het piëzometrisch niveau; barometrische gevoeligheid ca. 750/0

I n een put die tot in het spanningswater reikt, geldt de betrekking: Pw=Pa+~h (2) waarin y het soortelijk gewicht van het water voorstelt. Neemt de barometerdruk toe met Ap,, dan is: (3) AP, = Pa AP, Y h' P, Combinatie van (2) en (3) geeft de betrekking: AP,. = =Pa y (h'-h) (4) Uit (1) volgt dat Ap, < Ap,, zodat h' < h moet zijn. D.W.Z.dat bij een toeneming van de luchtdruk het piëzometrisch niveau daalt, en omgekeerd. Afb. 7 geeft een voorbeeld hiervan, waarbij de ,,barometrische gevoeligheid" van het pakket met spanningswater - d.i. de verhouding tussen de verandering in het piëzometrisch niveau en de verandering van de luchtdruk, uitgedrukt in de hoogte van een waterkolom - ca. 75 % bedroeg. I n de meeste gevallen bedraagt de barometrische gevoeligheid 20 tot 75%.

+

+ + +

e. Invloed van de vind

Indien een windvlaag langs de bovenkant van een peilbuis strijkt, vindt een plotselinge verlaging van de luchtdruk in de peilbuis plaats, ten gevolge waarvan het vrije freatische oppervlak stijgt. Is de windvlaag gepasseerd, dan stijgt de luchtdruk in de peilbuis weer en het vrije freatische vlak daalt. Uiteraard zijn deze schommelingen slechts klein. Afb. 8 toont de invloed van een orkaan op de waterstand in een put te Miami in Florida.

Afb. 8 Invloed van de wind op de waterstand in een put te Miami, Florida

1

1.6

I

I

17

18

19 20 Days of October, 1944

f. Invloed van aardbevingen

De beïnvloeding van de grondwaterstand door aardbevingen is, evenals die door 'de barometerstand reeds lang bekend, o.m. uit waarnemingen in mijnen en ondergelopen schachten. De schommelingen kunnen een amplitude bereiken in de orde van grootte van enkele decimeters. Vergelijking van de registratie van een aardbeving in Oost-Azië op 25-11-1953, opgenomen in een put van de waterwinplaats te Inheiden aan de westvoet van de Vogels Berg (ten noorden van Frankfurt), door middel van een zelfregistrerend instrument met vlotter, met die van een seismograaf van het Taunus-Observatorium op de Kleine Feldberg (ten westen van Frankfurt) toonde aan dat de grondwaterspiegel zowel aardbevingsgolven met korte perioden - ter grootte van enkele seconden - als met lange perioden - ter grootte van 20-40 sec - zeer goed vermocht aan te geven. Afb. 9 toont de invloed van een aardbeving op 9 december 1950 op een waarnemingsput in Milwaukee, Wisconsin, ca. 5000 mijl van het epicentrum (op de grens tussen Argentinië en Chili). g. Invloed van eb en vloed

De grondwaterstand in peilputten in de nabijheid van open water waarin wisselende waterstanden optreden (de

I

E*

c*

19

+

i

.F@

E@

+

cQ

G

-.

-

CU d

Earthquake on December 9, 1950 epicenter at 24"s lat. 67'W long.

Time Fall

b-20

min

Afb. 9 Fluctuaties van de grondwaterspiegel in een put te Milwaukee, Wisconsin, ten gevolge van een aa~dbeving

zee, een zeearm, een rivier) vertoont fluctuaties, die verband houden met de fluctuaties in de stand van het buitenwater. Zonder in te gaan op de mathematische zijde kunnen de volgende algemene kenmerken van de verschijnselen worden aangegeven. Het gedrag van de grondwaterstand in de peilbuizen . is in sterke mate afhankelijk van de bouw van de ondergrond. Men kan twee extreme gevallen onderscheiden, nl. freatisch water en zuiver spanningswater. I n het eerste geval wordt voor de mathematische bewerking aangenomen, dat op een bepaalde diepte beneden het freatische vlak een ondoorlatende laag voorkomt. I n de praktijk ontbreekt deze laag echter veelal of is niet geheel ondoorlatend. Onder zuiver spanningswater wordt verstaan het water in een laag die aan boven- en onderzijde is afgesloten door een volkomen ondoorlatende laag. Ook dit is in werkelijkheid veelal niet het geval;' er komen allerlei schakeringen voor van bijna volkomen lek tot bijna volkomen waterdicht. In het geval van freatisch water heeft men te maken met een waterverplaatsing ten gevolge van de getijbeweging, zodat de invloed zich tot betrekkelijk geringe afstand van het open water voortplant (enkele honderden meters), terwijl voorts de demping en de naijling groot zijn. In het geval van spanningswater zal iedere verandering van de potentiaal van het buitenwater zich onrniddellijk en ongedempt tot vrij grote afstand voortplanten - indien althans grond en water als onsamendrukbaar worden aangenomen - en er treedt vrijwel geen stroming van water op. De vloedstand in de peilbuis is afhankelijk van de voor-

Well at 1000 ft

u-

-

.-sm

-

O

C

Afb. 10 Fluctuaties van

de waterstand van de Elbe en in een aantal putten op verschillende afstanden van de rivier

g

5.0

-

v -

-

w

F

e

-

7.0 10.0 - Well

at 15,000ft

-

17.0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 Days of November, 1910

afgaande en van de erop volgende laagwaterstand van het buitenwater. Evenzo is de ebstand in de peilbuis afhankelijk van de voorafgaande en van de erop volgende hoogwaterstand van het buitenwater. Het verband tussen de halftijstanden van buitenwater en peilbuis is rechtlijnig. De halftijstanden bij opkomend tij kunnen andere waarden geven dan die bij afgaand tij, zodat het genoemde rechtlijnige verband in twee delen kan worden gesplitst. Uit de mathematische behandeling van de verschijnselen blijkt dat uit de waarnemingen de verhouding tussen de bodemconstanten kD, U en c kan worden berekend Afb. 10 toont de invloed van wisselende waterstanden van de Elbe op de grondwaterspiegel in putten op verschillende afstanden van de rivier. k is de doorlatendheidscoëfficiënt van Darcy, D de afstand tussen het freatische vlak en de ondoorlatende laag die het profiel aan de onderkant afsluit, U de uitleverings-of bergingscoëfficiënt en c de weerstand van de afdekkende laag.

h. Invloed van de getijden der aardkorst

De afwisselende compressies en dilataties van de aardkorst, die een gevolg zijn van de aantrekkingskracht van zon en maan op de vaste aarde, veroorzaken een schommeling van de waterspiegel in putten. Waarnemingen hiervan dateren reeds vanaf 1840. Zij werden o.m. gedaan in Frankrijk, Duitsland, België, Afrika en NoordAmerika. Wil het effect waarneembaar zijn, dan dient de put in de eerste plaats ver genoeg van zee te liggen, opdat geen invloed van eb en vloed wordt ondervonden. Voorts dienen de waarnemingen te worden gecorrigeerd, o.m. voor de barometerdruk. Drie criteria maken het mogelijk te onderscheiden of de waargenomen schommelingen van het freatische vlak inderdaad een gevolg zijn van de compressies en dilataties der aardkorst. Deze criteria zijn de volgende. 1. Er dient een faseverschil van 180 "C te zijn, d.w.z. dat een hoge stand van het freatische vlak moet worden waargenomen op het moment dat de berekening van de aantrekking van zon en maan een laag tij van de aardkorst aangeeft. Bij laag tij van de aardkorst trekt deze zich immers iets samen en veroorzaakt aldus een hogere stand van het freatische vlak in de put, en omgekeerd. Het is duidelijk dat de oppervlakte van het freatische vlak in de put veel te gering is om direct te worden beïnvloed door de aantrekking van zon en maan. 2. Men heeft alleen dán met het verschijnsel te maken, indien de amplituden van de verschillende componenten (golven) die in de variaties van het freatische vlak tot uiting komen, zich onderling verhouden zoals door de beweging van zon en maan t.o.v. de aarde wordt voorgeschreven. Doordat men nl. niet het volume water, dat door de aantrekking wordt beïnvloed, kent, kan de amplitude van de waterstandsverhoging (verlaging) niet worden berekend. Men kan echter wel zeggen dat de invloed van een bepaalde stand van de zon een bepaald percentage moet zijn van de invloed van de maanstand op dat moment. 3. Indien over waarnemingen gedurende een aantal maanden wordt beschikt, moeten de karakteristieken van de diverse golven, die op grond van de mathematische analyse van de waarnemingen van elke maand afzonderlijk worden gevonden, binnen de grenzen van de mogelijke meetfouten, met elkaar overeenstemmen. Literatuur: Paul J . Melchior L'assainissement (1958)(143)21.

-

La Technique de l'eau et de

Afb. 11 Fluctuaties v a n het piëzometrisch niveau ten gevolge v a n de getqden v a n de aardlcorst

I-,.

. ,

1.

-1,

J;

,

. ,' . ;

n

.

a

-.

'

,

. . ,

2

'

. . .

.-

..

<

. '.

,lf I .

'

.. . +:.

.

.-,s -

".'

,. .

.

,

.

-';. :,

.

-

.-i

,.

8

..

-,L.

.

.

-'

.l

,, . . . -l l 2 .;.8

8

'

'

-,,:

. ,

:.J':.

,'

9

:,,!

,-:A. l-:*~-d

'

Tot nog toe werden van slechts twee gevallen volledige mathematische analyses uitgevoerd, nl. van een put in Kiabukwa (Belgisch Kongo, 1953) en van een put te Turnhout (België, 1956). Afb. 11 toont de variaties in het piezometrisch niveau van een ruim 250 m diepe put te Iowa City in Iowa, die worden toegeschreven aan de invloed van de getijden van de aardkorst. De waarnemingen werden gecorrigeerd voor de veranderingen in de barometerstand, onder de aanneming van een barometrische gevoeligheid van de laag met spanningswater van 75%. Uit de grafiek blijkt: 1. het voorkomen van twee dagelijkse cycli van fluctuaties die, gerekend vanaf de opkomst van de maan, dagelijks 50 minuteh later optreden; 2. een goede overeenkomst tussen deze gemiddelde dagelijkse retardatie van de cycli met die van de doorgang van de maan; 3. het samenvallen van de dagelijkse minimumstanden van het piëzometrisch niveau met de doorgang van de maan ten tijde van bovenste en onderste culminatie; 4. het samenvallen van perioden met grote, regelmatige fluctuaties met perioden van nieuwe en volle maan en het samenvallen van de perioden van kleine, regelmatige fluctuaties met de perioden van eerste en laatste kwartier van de maan. i. Invloed van wisselende belastingen

De elastische eigenschappen van aardlagen met spanningswater zijn oorzaak van fluctuaties in de stand van het piëzometrisch niveau bij wisselende belastingen.

+ 0.03 - + 0.02 -

l

I

l

I

/Train

+

I

stops

-

s

O

!,.

w

-----.--i-

F

Locomotive

w 42

2 - 0.02 O

Treiid of ground waterlevel

sta,s

---_

L

- 0.03

1

r

I 5

10

15 20 Time, min

I

25

I

30

35

Afb. 12 Fluctuaties van het piëzometrisch niveau ten gevolge van het stoppen en vertrekken van een trein dicht bij de

waarnemingsput

Vooral bij putten in de naaste omgeving van een spoorlijn is dit verschijnsel soms goed waar te nemen. Afb. 12 geeft hiervan een voorbeeld. j. Invloed van de chemische samenstelling van het grondwater

Indien grondwaterstandswaarnemingen worden verricht van grondwater van uiteenlopende chemische samenstelling en/of temperatuur, dient een correctie te worden aangebracht t.a.v. het soortelijk gewicht van het grondwater. Het s.g. neemt nl. toe met toenemend aantal milligram-equivalenten en neemt af bij toenemende temperatuur, zoals uit tabel 1 blijkt. TABEL 1 Totaal aantal m val per liter 5,6 23,6 110 150 224 370 604 672

Cl' in mg/l*

S.g. bij 10 "C

15 234 1.500 2.100 3.300 6.000 9.500 10.700

0,9998 1,0002 1,0020 1,0026 1,0046 1,0078 1,0144 1,0148

s.g. bij 15 OC 0,9985 0,9989 1,0007 1,0012 1,0034 1,0066 1,0131 1,0135

* Het çhloridegehalte is in de tabel opgenomen, teneinde enige indruk te geven van de chemische samenstelling van het water. Uiteraard hebben - vooral bij de? lagere chloridegehalten - ook de overige in het water aanwezige ionen invloed op het s.g. Het Archief van Grondwaterstanden T.N.O. ,

Ten behoeve van elk onderzoek naar het gedrag van de grondwaterstand - onder natuurlijke of kunstmatige invloeden, over korte of lange perioden, locaal of regionaal, het freatische of het spanningswater betreffende of naqr de invloed van de grondwaterstand op biologische verschijnselen als bv. de groei van gewassen en de daarmee verbandhoudende opbrengst, zijn uiteraard gegevens nodig. Bij de uitvoering van werken ten gevolge waarvan een tijdelijk of blijvende invloed op het grondwaterregime kan worden verwacht, is het veelal noodzakelijk te beschikken over waarnemingen gedurende een kortere of langere periode vóór de uitvoering, teneinde de oorspronkelijke toestand vast te leggen. Wanneer en waar in de toekomst dergelijke werken zullen worden uitgevoerd, kan men uiteraard niet weten. Het is derhalve wenselijk te beschikken over grondwaterstandswaarnemingen in een voldoend dicht net van waarnemingspunten in geheel Nederland, over zeer lange perioden.

Met dit doel werd in 1948 op initiatief van prof. W. F. J. M. Krul, als voorzitter van de Commissie voor Hydrologisch Onderzoek T.N.O. het ,,Archief van Grondwaterstanden T.N.O." ingesteld door deze Commissie. Daarbij werd uitgegaan van de gedachte voor geheel Nederland te komen tot een ,,stamnet" van waarnemingspunten, zodanig gekozen, dat elk waarnemingspunt representatief zou zijn voor een bepaald gebied eromheen. De begrenzingen van deze gebieden kunnen in het algemeen niet a priori worden vastgesteld. Daarvoor is het nodig allereerst waarnemingen te verrichten in een liefst zo groot mogelijk aantal peilputten, teneinde het verband tussen de fluctuaties te bepalen. Een dergelijk - mathematisch - verband kan velerlei vormen hebben, afhankelijk van de factoren, die het stroombeeld beheersen (regenval, verdamping, randvoorwaarden van het stroomveld). Het blijkt nu, dat in zeer veel gevallen tussen de fluctuaties van de peilputten in een bepaald gebied een liniair mathematisch verband bestaat. I n dit geval hebben de tijdstijghoogtelijnen een gelijkvormig verloop (afb. 13). De gemiddelde niveaus zijn echter verschillend - de krommen liggen boven elkaar - en bovendien zijn de afwijkingen van de ge-

A f b . 13 Grondwaterstanden binnen een statistisch homogeen gebied

middelde grondwaterstanden voor de verschillende peilbuizen niet gelijk. Elk van de tijdstijghoogtelijnen kan echter uit één van de - als norm gebruikte - lijnen worden afgeleid, door zowel een verticale verschuiving toe te passen, als een uitrekking (of samendrukking) in verticale zin. De geringe afwijkingen die dan nog overblijven zullen veelal aan toevalligheden kunnen worden toegeschreven. De grootte van de verticale verschuiving - de verschuivingswaarde - en van de uitrekking - of samendrukking - de vergrotingsfactor of schommelingsmaat van elke tijdstijghoogtelijn kunnen worden verkregen, door de waarnemingen in een min of meer centraal in het gebied gelegen peilput uit te zetten tegen de op dezelfde tijdstippen verrichte waarnemingen in elk van de overige peilputten. De in deze ,,spreidingsdiagrammen9' verkregen punten liggen praktisch op een rechte lijn. De hellingshoek U die deze lijn maakt met de x-as, bepaalt de vergrotingsfactor; het stuk p, dat door deze lijn wordt afgesneden van de y-as, stelt de verschuivingswaarde voor. p De algemene vergelijking van de lijn is y = mx waarin m = tg a . De rechte lijn die zich het beste aanpast bij de punten van het spreidingsdiagram, kan in sommige gevallen vrij nauwkeurig op het oog worden getrokken. Exacter is het uiteraard de lijn te berekenen, waartoe een algemeen gebruikelijke methode die van de kleinste vierkanten is. Het blijkt dan dat , waarin tg a = 2 [X1 Y11 [ x : ] CyiZI .- xI - x - x en y, = y - y; x en y zijn de rekenkundige gemiddelden van x en y. De factor p vindt men door in de genoemde vergelijking y = mx p voor x en y de waarden x en y in te vullen. De nauwkeurigheid waarmee de lijn wordt bepaald, kan worden uitgedrukt in de middelbare fout van de afstand v van elk punt tot de lijn

+

+

Wanneer van een peilput eenmaal de vergrotingsfactor en de verschuivingsfactor t.o.v. de stamput bekend zijn, dan behoeft deze peilput in het geheel niet meer te worden waargenomen, om toch uit de waarnemingen van de stamput de waterstanden ter plaatse te kunnen berekenen. Dit betekent uiteraard een zeer grote arbeids- en tijdbesparing bij het verrichten van de waarnemingen.

Hoe groot nu het gebied - dat op grond van het bovenstaande een statistisch homogeen gebied kan noemen - is, waarbinnen het lineaire verband bestaat tussen de grondwaterstanden in de peilputten en die in de stamput, hangt af van de vereiste nauwkeurigheid, waarvoor M, het criterium is. Ten behoeve van het Archief van Grondwaterstanden wordt aangenomen dat deze fout niet groter dan 15 cm mag zijn. Veelal blijkt de nauwkeurigheid echter groter te zijn. Een statistisch homogeen gebied kan zeer groot zijn. Zo blijkt bv. een stamput op Noord-Beveland representatief voor alle in de provincie Zeeland waargenomen putten, voor een aantal putten op Goeree-Overflakkee, op Voorne-Putten en op de westwal van Noord-Brabant. Mogelijk is dit gebied nog groter, doch dit moet nog nader worden berekend. Zonder in te gaan op de organisatie van het Archief, kunnen de volgende cijfers (per ultimo december) een indruk geven van de bereikte resultaten. Het aantal waarnemingspunten bedraagt 9.362, nl. 3.324 peilputten (diepte variërend van 6 tot 300 m -m.v.) en 6.038 landbouwbuizen (diepte tot 6 m -m.v.). Op grond van de boven uiteengezette berekeningsmethode werden 265 stamputten aangewezen, waaruit de grondwaterstand in 1710 peilputten kan worden berekend, en 15 stambuizen, waaruit de grondwaterstand in 451 landbouwbuizen kan worden berekend. Het aantal waarnemers - die hun werk belangeloos verrichten - bedraagt 2.188. I n totaal zijn 1.146.000 standen geregistreerd. Op desbetreffende verzoeken van 94 belanghebbenden werden 9.862 formulieren (met gemiddeld 80 grondwaterstanden per formulier) verstrekt, tezamen met 359 topografische kaartjes waarop de ligging van de betrokken waarnemingspunten staat aangegeven. De gegevens hadden betrekking op 561 gemeenten. Het aantal aanvragen om gegevens nam in de laatste jaren geregeld toe. Verwacht wordt dat dit ook in de toekomst het geval zal zijn. Gezegd mag worden dat het Archief reeds vele jaren een belangrijke bijdrage heeft geleverd bij geo-hydrologische onderzoekingen in Nederland en zijn taak, dank zij de belangeloze medewerking van zeer velen, steeds beter zal kunnen vervullen.

De grondwaterbalans van Nederland door ir. G. Santing * 1. Inleiding

De waterbalans van Nederland is een onderwerp dat op verschillende manieren in het verleden al vele malen ter sprake is gebracht; ook de grondwaterbalans is daarbij aan de orde geweest. Over deze laatste zal dus niet zo veel nieuws kunnen worden gezegd. Het doel van het hieronder volgende betoog is echter, door de verschillende cijfers eens tegenover elkaar te plaatsen, enkele (overigens ook wel bekende) aspecten van de grondwaterbalans wat duidelijker te laten spreken. Volledigheidshalve zij in herinnering gebracht dat de grondwaterbalans voor een zeker gebied over een zeker tijdvak betrekking heeft op al die factoren die in dat tijdvak een wijziging in de grondwatervoorraad van dat gebied hebben gebracht. Deze factoren, gesplitst al naar zij tot vermeerdering dan wel tot vermindering van de voorraad leiden, zijn: Bij N: I: Ik: Qi,,:

Neerslag Infiltratie uit oppervlaktewater Kunstmatige voeding van het grondwater Toestroming van buiten de grenzen van het beschouwde gebied

E:

D: Dk: Quit:

Verdamping, rechtstreeks uit bodemvocht en grondwater, en door het vochtgebruik van de planten Natuurlijke drainage naar oppervlaktewater Kunstmatige drainage (bv. door pompstations) Afstroming naar elders

Al deze factoren zijn variabel; zij veranderen van moment tot moment. Bovendien heeft een verandering in een van de factoren vrijwel steeds na korter of langere tijd een verandering in de grootte van een of meer van de andere factoren tot gevolg. Het tijdvak waarover de balans wordt opgemaakt, zal men dus niet te klein kiezen. Dit geldt te meer, naarmate het balansgebied groter is. Moge het voor lysimeterbakken zinvol zijn, de balans per decade op te maken, voor Nederland is d i t zinloos. Hier zal men veelal een jaar als kleinste tijdseenheid kiezen. *

Hoofdingenieur bij de geo-hydrologische afdeling van het Rijksinstituut voor Drinkwatervoorziening.

129

GRONDWATERWINPLAATSEN

Afb. 1 Overzichtskaart met hoge gronden en ligging van de grondwaterwinplaatsen

130

I n het volgende zal dus worden getracht een indruk te geven van de orde van grootte van de verschillende posten op de jaarbalans van het grondwater in Nederland, mede gezien tegen de achtergrond van de grondwatervoorraad en de mogelijkheden ten aanzien van de grondwaterwinning. Er is geen poging gedaan om de grootte van de posten door een omvangrijke bewerking van alle beschikbare gegevens zo nauwkeurig mogelijk te bepalen; dit was voor het te voeren betoog niet nodig. Het spreekt voorts vanzelf dat slechts de balans van het zoete grondwater zal worden besproken. 2. De posten van de balans

Neerslag, N De oppervlakte van Nederland, inclusief meren en rivieren, beslaat rond 40.000 km" De gemiddelde jaarregenval is niet voor ieder punt in dit gebied hetzelfde. Bij de onderhavige beschouwingen kan echter worden volstaan met de neerslag op 700 mm per jaar te stellen. Over een oppervlak van 40.000 km2 levert dit een hoeveelheid water van 28.000 X 106m3/jaar. Nu bestaat slechts een gedeelte van Nederland uit hoge gronden, waar het regenwater kan infiltreren en het grondwater voeden. Dit deel van het land, globaal aangegeven op het kaartje (afb. l),kan ruwweg op de helft van het totale oppervlak worden gesteld. De andere helft wordt gevormd door lage terreinen waar veelal grondwater tot opkwelling komt en waar een beheerste grondwaterstand aanwezig is. De regen die op dit gebied vdt, draagt niet bij tot de vorming van grondwater en heeft geen effect op de grondwaterbalans. De post N op de balans dient dus te worden gesteld op de helft van 28.000 X 106m3 per jaar: 14.000 X 106 m3/jaar. Verdamping, E Ook de verdamping verschilt sterk van plaats tot plaats. Wat de hoge gronden, dus de voedingsgebieden van het grondwater, betreft, kan men de verdamping globaal op 450 mm per jaar stellen. Mogelijk is dit bedrag nog aan de lage kant en zou 500 mm per jaar een betere benadering zijn. Houdt men 450 mm aan, dan levert dit, omgerekend over de hoge helft van Nederland, een verdamping van 9000 X 106m3/jaar. De verdamping in de lage helft van het land zal hoger zijn, doch heeft in deze terreinen met beheerste waterstand geen invloed op de grondwaterbalans.

Het verschil tussen de posten N en E, 5000 X 10' ma/ jaar, vertegenwoordigt de voeding van het grondwater, de ,,nuttigen neerslag N,.

Infiltratie uit oppervlaktewater, Z Ook hier dient onderscheid te worden gemaakt tussen de hoge gronden en de lagere helft van het land. De infiltratie uit oppervlaktewater in het gebied der hoge gronden is onbekend. Zij is echter van zo geringe orde van grootte in vergelijking met de beide bovengenoemde posten N en E, dat zij voor de balans van geen betekenis is en slechts pro memorie behoeft te worden vermeld. In de lagere helft van het land kan de infiltratie van water uit rivieren, meren en kanalen wel van belang zijn. Hierop zal later worden teruggekomen.

Kunstmatige voeding van het grondwater, Z, De post betreft de door verschillende waterleidingbedrijven toegepaste kunstmatige aanvulling van het grondwater op hun waterwinplaatsen met behulp van, van elders aangevoerd, oppervlaktewater. Volgens het door de Vereniging van Exploitanten van Waterbedrijven in Nederland uitgegeven ,.Statistisch Overzicht der waterleidingen in Nederland" beliep deze post in 1958 omstreeks 50 X 1OE m3.

Toestroming van buiten de grenzen, Q ,

.

Langs verschillende gedeelten van de grenzen met Duitsland en België stroomt grondwater toe. Veel gegevens hierover bestaan niet. Om toch een inzicht te krijgen in de orde van grootte van deze post, zou men de lengte van grens waarlangs toestroming plaatsvindt, op 300 km kunnen stellen. Voor het verhang van de stroming zou bv. 1 : 500 kunnen worden aangenomen. De dikte van de goed waterdoorlatende grondlagen is ter plaatse van de grenzen in het algemeen niet groot; het doorlaatvermogen kD behoeft dan ook zeker niet hoger dan op gemiddeld 500 m2/etmaal te worden geraamd. Bij deze cijfers komt men tot een hoeveelheid water van 100 X 1O6 m3/jaar.

Afstroming naar elders, Q,, Even goed als er langs verschillende gedeelten van de

landgrenzen van Nederland grondwater uit het buitenland toestroomt, zullen er ook plaatsen zijn waar grondwater afstroomt. Deze plaatsen zijn echter ver in de minderheid; bovendien is het verhang waaronder deze stroming plaatsvindt, zeer geiing. Van meer belang is de afstroming van grondwater uit de duinstrook naar zee. Ook deze hoeveelheid kan slechts door een schatting worden benaderd. Men zou bv. kunnen aannemen, dat zich in de duinstrook op 1 km afstand van de kust een waterscheiding bevindt, ten westen waarvan het grondwater zeewaarts afstroomt en ten oosten daarvan polderwaarts. Stelt men de nuttige neerslag in de duinen op 450 mm/jaar, dan vloeit dus per km kustlengte 0,45 X 10' m3/jaar naar zee af. De totale lengte van de duinstrook langs de Nederlandse kust kan op rond 150 km worden geraamd. Dit leidt dan tot een afvloeiing naar zee van 70 X 106m3/jaar. Langs de niet door duinen begrensde kusten van Nederland (Groningen, Friesland, Zeeland) is het verhang van de grondwaterstroming zeer flauw. Voor de grondwaterbalans zijn de daarbij betrokken hoeveelheden van te verwaarlozen betekenis.

Kunstmatige drainage, D, Hiermee worden de onttrekkingen van grondwater door de waterleidingbedrijven, de industrie en de landbouw bedoeld. De grootte van eerstgenoemde onttrekking bedroeg, volgens het reeds eerder genoemde Statistisch Overzicht, in 1958 ca. 300 X 1 0 M 3 . Het merendeel van deze onttrekkingen vindt plaats in de infiltratipsebieden, d.w.z. in de hogere helft van het land. Blijkens afb. 1, waarop de winplaatsen van de waterleidingbedrijven zijn aangegeven, liggen enkele ervan in het poldergebied. De gezamenlijke opbrengst van deze pompstations is echter gering en bedraagt niet meer dan ca. 25 X 10"3/ jaar. Deze hoeveelheid wordt voorlopig buiten de balans gehouden; later zal hierop worden teruggekomen. De industriële grondwateronttrekking is slechts bij benadering bekend. De meest recente raming kan worden gemaakt op grond van de uitkomsten van een enquête van het Centraal Bureau voor de Statistiek betreffende de onttrekking in het jaar 1957. Volgens deze gegevens is in 1957 door de industrie in totaal 320 X 108m3 grondwater onttrokken. Bij de enquête is echter geen onderscheid gemaakt tussen zoet en zout water. Men mag echter aannemen dat het in de hogere helft van Nederland

gewonnen water zoet is. Dit betreft dan een hoeveelheid van ca. 200 X 10W3/ jaar. De resterende 100 miljoen m3 per jaar worden onttrokken in de lagere helft van het land en zullen slechts ten dele uit zoet water bestaan. De onttrekking van grondwater voor de landbouw betreft, ondanks het toenemende gebruik van beregeningsinstallaties, nog slechts geringe hoeveelheden. Volgens inlichtingen van landbouwzijde moet deze hoeveelheid op ten hoogste 20 X 106m3/jaar worden geraamd. Het is duidelijk dat dit een onttrekking in de gebieden der hoge gronden is. De post D, wordt dus in totaal: 300 - 25 + 200 + 20 = ca. 500 miljoen m3/jaar. Natuurlijke drainage naar oppervlaktewater, D Dit is de laatste van de acht in de aanvang genoemde factoren. Men zou hem dus kunnen gebruiken als sluitpost op de balans, mits aangenomen wordt dat geen verandering in de grondwatervoorraad is opgetreden. I n dat geval wordt D dus 4580 X 106of rond 4500 X 10W3/jaar. Dit bedrag omvat zowel de rechtstreekse drainage naar beken en rivieren als de kwel in poldergebieden. Een splitsing van de post in deze onderdelen is echter zonder gedetailleerde gegevens van de afvoer van beken en rivieren niet te verwezenlijken. Deze gegevens zijn niet beschikbaar. Weliswaar voert de Directie Waterhuishouding en Waterbeweging van de Rijkswaterstaat sedert enkele jaren een programma van afvoermetingen in beken uit, volgens hetwelk geleidelijk van alle beken van enige betekenis in Nederland de afvoer wordt onderzocht, doch dit programma is nog niet voltooid. Voorts staan omtrent de ondergrondse afstroming naar de grote rivieren slechts fragmentarische gegevens ter beschikking. Uit de door Rijkswaterstaat verrichte afvoermetingen in beken, welke gegevens door genoemde Directie bereidwillig ter inzage werden verstrekt, blijkt dat de drainage naar de beken alleen al op ca. 2000 X 106 m3/jaar kan worden geraamd. De gezamenlijke afvoer naar beken en rivieren zal dus het grootste gedeelte van de post D uitmaken. Meer kan hierover niet worden gezegd. Met de gevonden cijfers voor de diverse posten geeft de grondwaterbalans thans het volgende beeld (in miljoenen m3/jaar). Daarbij zij eraan herinnerd, dat werd aangenomen, dat de grondwatervoorraad geen verandering ondergaat. De saldopost komt dus slechts p.m. op de balans voor.

I

Bij

Af

-

N I Ilr

Qin

=

-

14.000

p.m.

E D

-

=

= =

Dk

50 100

-

Quit

1

Saldo

9.000 4.500 500 70

p.m.

Zoals reeds werd opgemerkt, is in deze balans niet volledig verdisconteerd wat zich afspeelt in de lagere helft van het land. In het Hollands-Utrechts polderland is immers nog een secundair stelsel van infiltratiegebieden en kwelgebieden aanwezig. In de ondiepe polders, de boezemlanden en boezems vindt infiltratie van water plaats, dat in de diepe polders en droogmakerijen weer tot opkwelling komt. Ook uit de grote rivieren kwelt water weg naar de aangrenzende polders. De hierbij betrokkenhoeveelheden water zijn geenszins gering. Het opnemen van deze hoeveelheden in de balans zou leiden tot een zinloze vergroting van in het bijzonder de posten I en D, die in genen dele tot een verduidelijking van het beeld van de balans zou bijdragen. Om deze reden is ook de kunstmatige drainage die van deze secundaire kringloop gebruik maakt, buiten de balans gehouden. Dit betreft dus o.a. de reeds genoemde onttrekking van grondwater door de in het polderland gelegen pompstations van verschillende kleinere waterleidingbedrijven (25 miljoen m5/jaar) en door de industrie. Wat valt er nu uit de cijfers van de balans te concluderen? In de eerste plaats blijkt de balans van het grondwater vrijwel geheel een binnenlandse aangelegenheid te zijn. Het aandeel dat van buiten de grenzen komt en het aandeel dat door afstroming in zee verloren gaat, zijn van weinig betekenis. Nu is dit niet zo heel bijzonder; bij de meeste landen, vooral de grotere, is de grondwaterbalans een binnenlandse zaak. Niettemin zijn er genoeg landen te noemen waar dit niet het geval is. Interessant is ook, voor een land met zo'n grote kustlengte, de conclusie dat het verlies naar zee relatief zo klein is. De derde conclusie is, dat de post D, nog betrekkelijk klein is, vergeleken met de hoeveelheid grondwater die jaarlijks ongebruikt verdwijnt (D); D, bedraagt nl. ca. 10% van D. Alvorens uit de balanscijfers verdere conclusies te trekken over de mogelijkheden die zij bieden met betrekking tot de watervoorziening, dienen de balansposten te worden bezien tegen de achtergrond van de grondwatervoor-

raad. De saldopost houdt immers rechtstreeks verband met deze voorraad. Opgemerkt zij weer, dat het alleen gaat om het geven van een indruk van de orde van grootte van de voorraad en van de verhouding in het geheel. 3. De grondwatervoorraad

.

Onder grondwatervoorraad zal de hoeveelheid water in de goed doorlatende bodemformaties van Nederland worden verstaan. Uiteraard bevatten klei- of leemlagen ook wel enig water dat bij ontwatering zou kunnen worden vrijgemaakt, doch dit kan buiten beschouwing blijven. Omtrent de bouw van de ondergrond is voldoende bekend om een schatting van de grondwatervoorraad te kunnen maken. In dit verband zij bv. verwezen naar de publikatie van prof. dr. J. I. S . Zonneveid, ,,Lithostratigrafische eenheden in het Nederlandse Pleistoceen" (Med. van de Geologische Stichting, Nieuwe Serie Nr 12 (1958)) waarvan ter illustratie één van de daarin voorkomende geologische profielen over Nederland is overgenomen (zie afb. 1 voor de ligging en afb. 2 voor het profiel). In het westen en noorden van het land heeft men uitsluitend te maken met de goed waterdoorlatende forrnaties van het holoceen en het pleistoceen, waarvan de laatsten tot een diepte van maximaal 300 m reiken. De basis van deze lagen wordt gevormd door het Icenien. I n het zuiden en oosten van het land komen ook watervoerende lagen van andere geologische ouderdom voor, zoals het krijt in Zuid-Limburg en enkele pliocene formaties in Noord-Brabant. Met een conservatieve raming zou men de gemiddelde dikte van de watervoerende lagen over Nederland kunnen stellen op 75 m. Neemt men voor het gehalte aan vrij water in de poriën van het zand 25 0/0 aan, dan voeren deze cijfers bij het gegeven oppervlak van 40.000 km2 tot een grondwatervoorraad van 750 X 108ms. Dit water is echter ten dele brak of zout. Een instructieve kaart die de verdeling van zoet en zout grondwater in het pleistocene zandpakket weergeeft, werd door ir. A. Volker van de Directie Waterhuishouding en Waterbeweging van de Rijkswaterstaat getoond bij een voordracht over de waterhuishouding van Nederland, gehouden op 7 oktober 1958 voor het Koninklijk Instituut van Ingenieurs (De Ingenieur (1959) (1)).Volgens deze kaart, die hierbij wordt gereproduceerd (afb. 3), is wat minder dan de helft van het grondwater brak of zout. De voorraad zoet

Afb. 3 Gemiddeld chloridegehalte van het diepe grondwater in het pleistocene doorlatende pakket onder westelijk Nederland (chloride-gehalten uitgedrukt in mg per liter)

138

grondwater kan dus op rond 500 X 109 m3 worden geraamd. Het is duidelijk, dat de grondwatervoorraad een functie is van de grootte en aard van het beschikbare ondergrondse reservoir en van de hydrologische en waterstaatkundige omstandigheden aan de oppervlakte. Als voorbeeld kan worden gewezen op de verdeling van zoet en zout grondwater in een duingebied aan zee. Het zoete water dringt zo diep door tot een bepaald evenwicht is bereikt met het daaronder aanwezige zoute grondwater, of tot het zoete water stuit op een ondoorlatende formatie. De verdeling van zoet en zout water wordt dus bepaald door de grootte van de voeding van het zoete grondwater, de breedte van de duinen, de zeestand en het peil van de polders achter de duinen en de aard van het ondergrondse reservoir. Behalve de huidige geo-hydrologische omstandigheden is echter ook de geo-hydrologische geschiedenis van invloed. Wijzigingen in de omstandigheden aan de oppervlakte leiden tot wijzigingen in de grondwatervoorraad, zij het dat deze wijzigingen uitermate langzaam tot stand komen. I n het bijzonder geldt dit voor veranderingen in de verdeling van zoet en zout grondwater. Nog thans toont de verdeling van zoet en zout in de ondergrond van Nederland de invloed van omstandigheden uit een meer of minder ver verleden. Vele illustraties daarvan vindt men in het Hollandse polderland, bv. in de Haarlernrnermeerpolder. Men zou verwachten dat in deze diepe, vlak achter de duinenrij gelegen polder zeewater tot opkwelling komt. I n de holocene en zelfs in de bovenste pleistocene grondlagen onder de polder bevindt zich echter nog steeds zoet of slechts lichtelijk brak water. De sedert de droogmaking van de Haarlemmermeer, ruim een eeuw geleden, opgeroepen stroming van zout water van zee naar de polder toe, heeft deze polder nog niet bereikt. Ook de verdeling van zoet en zout water in de bodem onder de vroegere Zuiderzee illustreert duidelijk hoe traag wijzigingen in deze verdeling tot stand komen. De eerste paar meter van de ondergrond bevatten nog steeds zout grondwater, afkomstig uit de tijd van de open Zuiderzee. Slechts de allerbovenste laag is na de afsluiting verzoet. Beneden het genoemde zoute water vindt men weer zoet, dat dateert uit het tijdvak van vóór de verzilting van de Zuiderzee (vóór omstreeks 1200). Dit water gaat met toenemende diepte geleidelijk over in brak en zout grondwater, gevormd in oudere geologische perioden. Het voorgaande toont aan dat wijzigingen in de voor-

raad zich uiterst langzaam verwerkelijken. De gevolgen van allerlei meer of minder recente veranderingen in de waterstaatkundige of hydrologische toestand van het land (zoals verlaging van polderpeilen, verandering van het klimaat) zullen nog slechts zeer ten dele zijn geeffectueerd. Op de grootte van de grondwatervoorraad hebben deze veranderingen, indien gerekend binnen een tijdsbestek van niet meer dan enkele tientallen jaren, geen noemenswaardige invloed. Op de grondwaterbalans komen deze wijzigingen echter als een saldopost voor, die in vergelijking tot de andere posten geenszins onbetekenend behoeft te zijn, maar de orde van grootte van D, of zelfs D kan bereiken. De grootte van deze saldopost is onbekend. Slechts staat vast, dat hij negatief moet zijn, daar het gehele beeld van de grondwaterhuishouding in Nederland wijst op een afnemen van de voorraad. De post D, de natuurlijke drainage, zal dan groter zijn dan de 4500 miljoen m3/jaar, berekend op grond van de veronderstelling dat geen verandering in de voorraad optreedt. 4. De balans met betrekking tot de watervoorziening

De belangrijkste vraag die zich bij beschouwing van de balans voordoet, is in hoeverre de post D,<, de kunstmatige drainage, kan worden vergroot. Zowel voor bevolking en industrie als voor landbouwdoeleinden zullen in de toekomst immers zeer veel grotere hoeveelheden water nodig zijn. In Water 40 (1956) (7)79 schat ir. C . Biemond de behoefte aan water voor bevolking en industrie in de toekomst (ongeveer het jaar 2000) op 1150+ 500 = 1650 miljoen m8/jaar. Voor beregeningsdoeleinden moet misschien op een paar honderd miljoen m3 per jaar worden gerekend. Tezamen geeft dit een bedrag in de orde van grootte van 2000 X 10 m3/jaar. Welk deel hiervan kan worden verkregen door onttrekking van grondwater, d.w.z. door vergroting van D,? Een vergroting van D, zal gepaard moeten gaan met een vermindering van één of meer van de andere negatieve posten of met een vergroting van één of meer van de positieve posten, teneinde het evenwicht van de balans weer te herstellen. Wat de negatieve posten betreft, kan dit praktisch alleen de natuurlijke drainage D zijn, wat de positieve betreft, de kunstmatige infiltratie I,. Daar komt dan nog de mogelijkheid bij om gebruik te maken van de grondwatervoorraad als buffer (bv. voor het opvangen van de gevolgen van droge jaren) of als een tot zekere hoogte te verbruiken voorraad voor het

overbruggen van perioden waarin niet voldoende andere bronnen beschikbaar zijn. Voor de beantwoording van de gestelde vraag dienen dus de posten D,, D en I, in hun onderlinge verhouding te worden beschouwd en te worden bezien tegen de achtergrond van de grondwatervoorraad. Doet men dit, dan vallen terstond twee, uit een oogpunt van grondwaterwinning bijzonder gunstig lijkende aspecten van de balans op. In de eerste plaats is de post D,, de kunstmatige drainage, ook thans nog altijd vele malen kleiner dan de natuurlijke, D. In de tweede plaats is de grondwatervoorraad, vergeleken bij de posten op de jaarbalans, enorm groot. De grootste balansposten, de nuttige neerslag (N - E, 5 X log m3/jaar en de natuurlijke drainage (D, 4,5 X log m3/jaar) komen eik overeen met slechts 1% van deze vaorraad. Veranderingen in de balansposten bv. door toeneming van de grondwaterwinning of als gevolg van een droog jaar, hebben derhalve slechts onbetekenende invloed op de voorraad. Dit lijkt een gelukkige situatie. Er is slechts een betrekkelijk klein aantal gebieden in de wereld waar de grondwatervoorraad zo groot is, dat daarvan in ruime mate voor de watervoorziening kan worden gebruik gemaakt, hetzij als een tot zekere grens te verbruiken voorraad, hetzij als buffer. Bekende voorbeelden zijn het grondwaterbekken in het krijt onder Londen en verschillende landbouwgebieden in het droge westen en middenwesten van de V.S., waar de grondwaterstand vele, soms vele tientallen meters is gedaald. Hoe staat het nu in feite met deze op het oog zo gunstige situatie? Kan, in de eerste plaats, D, belangrijk worden vergroot, hetzij ten koste van D, hetzij door vergroting van I,
a. Vergroting van D, ten koste van D Vergroting van de kunstmatige drainage ten koste van de natuurlijke zal in de meeste gevallen tot een verlaging van de grondwaterstand leiden. Afhankelijk van de grootte van deze verlaging verzetten zich in Nederland verschillende belangen daartegen. In de eerste plaats is dit onze merkwaardige, van een hoge grondwaterstand afhankelijke landbouw, waarover door ir. H. de Vries is gesproken (Water 44 (1960) (7) 76). Weliswaar zal, naar mate de landbouwers meer overgaan tot beregenen en

bevloeien, deze eis minder gaan spreken, doch het is niet te verwachten dat ooit de landbouw, zelfs in de hogere helft van het land, zich geheel onafhankelijk van de grondwaterstand zal maken. Andere belangen die zich tegen grondwaterstandsverlaging verzetten, zijn die van recreatie en natuurbescherming. Dat bij de uitbreiding van de grondwaterwinning met deze belangen rekening moet worden gehouden, beperkt in sterke mate haar mogelijkheden en zal veelal dwingen tot spreiding van de winplaatsen. Ter toelichting zij herinnerd aan de conclusies van het onderzoek voor een centrale waterwinplaats (voor Amsterdam) in de Veluwe (Rapport Wateronttrekking aan de Veluwe (1933)). Een onttrekking van 35 miljoen m3/jaar in het centrum van de Veluwe zou volgens dit rapport een verlaging van de grondwaterstand veroorzaken, die over uitgestrekte gebieden langs de rand van de Veluwe uit landbouwkundig oogpunt ontoelaatbaar werd geacht. Onttrekt men de genoemde hoeveelheid echter door middel van een aantal verspreid gelegen kleinere winplaatsen (bv. 10 stuks), geprojecteerd op met zorg uitgekozen punten, dan kan men deze bezwaren in belangrijke mate ontgaan. Deze punten zal men veelal kiezen op niet te grote afstanden van de rand. Verlaging van de grondwaterstand kan men immers voorkomen of beperken door de punten van onttrekking te doen samenvallen met de plaatsen waar natuurlijke drainage optreedt, dus langs de beken en rivieren en nabij of in het polderland. Ook hier dienen echter andere Igelangen in het oog te worden gehouden: een sterke vermindering van de natuurlijke drainage zal het verdwijnen van talrijke beken en stroompjes tot gevolg kunnen hebben. Daar deze echter in vele gevallen ook ten aanzien van watervoorziening en scheepvaart een functie bezitten, is hun verdwijnen zelden aanvaardbaar. Wel is het toelaatbaar de drainage naar de grote rivieren en naar de polders te verminderen, d.w.z. het naar de rivieren en polders afstromende grondwater op te vangen juist vóór het deze bereikt. Uiteraard gebeurt dit reeds: de pompstations langs de zuidelijke Veluwerand (zie afb. 1) zijn voorbeelden van het opvangen van het naar de rivier afstromende grondwater, de waterwinplaatsen van N.W.-Utrecht en Bussum aan de westelijke rand van het Gooi zijn duidelijke voorbeelden van het exploiteren van de naar de polders bewegende grondwaterstroming. Op tal van andere plaatsen op de overgang van infiltratie- naar kwelgebieden vindt men dergelijke winplaatsen. Een bijzonderheid vormt nog de Bethunepolder ten westen van het Gooi,

waar door de Gemeentewaterleidingen van Amsterdam het reeds in de polder opgekwelde water wordt gewonnen. Voorts zij nog gewezen op de geprojecteerde waterwinplaatsen langs het Veluwerandmeer. Deze zullen als bijkomend voordeel hebben, dat de kwel in de zuidelijke IJsselmeerpolders vermindert. Het naar de polders en rivieren afstromende grondwater vertegenwoordigt in zijn totaal een aanzienlijke hoeveelheid. Het debiet per km breedte van het afstromingsfront is echter gering. Zo bedraagt de afstroming uit de zuidelijke Veluwe naar de Rijn tussen Arnhem en Rhenen naar schatting ca. 50 miljoen m3 per jaar, doch per km is dat slechts gemiddeld 2 miljoen m3 per jaar. Het capteren van dit afvloeiende water is economisch niet uitvoerbaar. Men zal praktisch altijd geconcentreerde onttrekkingen toepassen. Dan echter duikt het gevaar weer op, dat door verlaging van de grondwaterstand plaatselijk schade wordt veroorzaakt aan de belangen van landbouw, recreatie en natuurbescherming. Men zal dus, ook als gebruik wordt gemaakt van het naar polders en rivieren afvloeiende grondwater, steeds met deze belangen rekening dienen te houden en met zorg zijn winplaatsen moeten kiezen. De conclusie is dus dat, ofschoon de kunstmatige drainage D, momenteel nog slechts 10% bedraagt van de natuurlijke drainage D, een vergroting van D, ten koste D slechts in beperkte mate te verwezenlijken is; zeker mag niet worden verwacht dat D , ooit dezelfde orde van grootte zal kunnen bereiken als die van D. Een inventarisatie van de mogelijkheden tot vergroting van D,, d.w.z. tot uitbreiding van de grondwateronttrekking ten behoeve van de drinkwatervoorziening, wordt op het ogenblik verricht door de Centrale Commissie voor Drinkwatervoorziening, in aansluiting aan het onderzoek dat destijds werd uitgevoerd ten behoeve van het Rapport Westen des Lands. Het is niet onwaarschijnlijk, dat deze inventarisatie zal leiden tot de conclusie, dat in de hogere helft van het land de onttrekking zonder bezwaar kan worden vergroot tot het dubbele van de huidige capaciteit. Deze vergroting kan echter slechts worden verkregen door uitbreiding van de vele bestaande pompstations en door stichting van verscheidene nieuwe van beperkte capaciteit (bv. van enige miljoenen m3/ jaar). De mogelijkheid van het stichten van nieuwe winplaatsen met zeer grote capaciteit (enige tientallen miljoenen ms/jaar) lijkt welhaast geheel uitgesloten, tenzij gebruik wordt gemaakt van kunstmatige aanvulling van het grondwater.

b. Vergroting van D, door vergroting van I, Een andere mogelijkheid tot het vergroten van D, kan worden verkregen door vergroting van de post I, op de balans, de kunstmatige voeding van het grondwater, Hierop zal thans niet verder worden ingegaan, daar het hierbij slechts gaat om de technische en economische mogelijkheden tot het doen infiltreren van de vereiste hoeveelheden water, hetzij op speciale infiltratieterreinen (zoals in Enschede, Zeeuws-Vlaanderen, de duinen), hetzij in de vorm van oeverinfiltratie. Dit heeft met de grondwaterbalans verder weinig te maken. Slechts zij, wat oeverinfiltratie betreft, van de gelegenheid gebruik gemaakt om te wijzen op de mogelijkheden die hier langs de Rijn en de Waal liggen. Misschien is het bed van deze rivieren wat minder doorlatend dan dat van de Maas welke rivier soms in verband met de geschiktheid voor oeverinfiltratie wordt genoemd - doch de watervoerende zandlagen onder de bedding hebben, evenals op vele plaatsen langs de Maas, een buitengewoon groot doorlaatvermogen. Dit is bekend uit het onderzoek ten behoeve van een centrale drinkwatervoorziening in Zuidholland, Noordholland en Utrecht (Rijksbureau voor Drinkwatervoorziening (1919)) , alsmede uit de gegevens van bronbemalingen van bouwputten langs en nabij deze rivieren. Zo bedroeg het waterbezwaar van de bouwputten voor het stuwcomplex in de Lek bij Hagestein ca. 5000 m3/h (of ca. 40 miljoen mY/jaar)zonder dat in de omgeving bezwaren van landbouwkundige aard werden ondervonden. Voor de bouwput voor het ontworpen stuwcomplex in de Rijn bij Amerongen wordt een waterbezwaar in de orde van 9000 m3/h (80 miljoen m3/jaar) verwacht. Ongetwijfeld zijn hier dus goede mogelijkheden voor oeverinfiltratie aanwezig. Trouwens, verschillende van de in de Betuwe aanwezige pompstations maken in feite reeds van oeverinfiltratie gebruik.

c. Gebruik van de grondwatervoorraad De tweede vraag is, of gebruik kan worden gemaakt van de enorme grondwatervourraad, hetzij als tot zekere hoogte te verbruiken reserve, hetzij als buffer. Op beide aspecten van deze vraag moet welhaast geheel ontkennend worden geantwoord. Het aanspreken van de voorraad gaat gepaard met een daling van de grondwaterstand, hetgeen weer vrijwel steeds strijdig is met de belangen van landbouw, natuurbescherming, recreatie en zelfs scheepvaart. Als buffer voor het opvangen van de gevolgen van droge jaren is

de voorraad evenmin van veel nut. Hij bevindt zich immers niet, zoals in vele andere streken van de wereld het geval is, als een uitgestrekt grondwaterreservoir tussen de punten van voeding van het grondwater en de punten van afstroming of drainage. I n Nederland zijn de punten van voeding en de punten van afstroming vrij gelijkmatig over het land verdeeld en liggen dus op korte afstanden van elkaar; er bevindt zich geen reservoir met groot dempingsvermogen tussen, zodat de gevolgen van droogte praktisch onmiddellijk tot uiting komen. Overal treedt terstond een daling van de grondwaterstand en een vermindering van het debiet van beken en riviertje op. Een uitzondering hierop maakt de Veluwe: de grondwaterstand ligt vrij diep onder het terreinoppervlak, er komen weinig beken voor en het gebied heeft een vrij grote uitgestrektheid. Als conclusie moet dus worden gesteld, dat de grondwatervoorraad een zeer inffectieve voorraad is, een ,,bevroren" voorraad waar men niets mee kan doen, zolang de eis geldt dat geen verlaging van de grondwaterstand mag optreden. Er is echter één uitzondering: indien het zoete water grenst aan zout grondwater dat van uit zee gemakkelijk kan worden aangevuld, kan de zoetwatervoorraad als buffer worden gebruikt of zelfs tot een zekere grens worden verbruikt zonder dat een evenredige verlaging van de grondwaterstand optreedt; het verbruikte zoete water wordt vervangen door zout, terwijl slechts een. betrekkelijk geringe daling van de grondwaterstand wordt veroorzaakt. Deze wijze van exploitatie wordt dan ook in Nederland toegepast. Op kleine schaal geschiedt dit in enkele duinwaterwinplaatsen - meestal min of meer onbedoeld - en op grotere schaal bv. in het industriegebied aan de IJ-mond (Velsen, IJmuiaen) Gezien in verhouding tot de gehele zoetwatervoorraad zijn dit echter onbetekenende hoeveelheden. Samenvattend kan men dus wel zeggen, dat de grondwatervoorraad in Nederland niet exploitabel is.

.

5. Samenvatting

De toenemende behoefte aan water voor bevolking, industrie en landbouw zal in de toekomst, voor zover niet gedekt uit oppervlaktewater, in hoofdzaak slechts kunnen worden opgevangen door uitbreiding van de kunstmatige infiltratie in de duinen en de hoge gronden en door oeverinfiltratie langs de rivieren. Op meer beperkte schaal zal voorts nog uitbreiding van grondwaterwinning

'

wellicht tot het dubbele van de huidige capaciteit, op de gebruikelijbe wijze mogelijk zijn; daarbij zal spreiding van de plaatsen van onttrekking niet te vermijden zijn. Het voorgaande zou men, met enige overdrijving, in de volgende paradox kunnen samenvatten. I n het watedjke Nederland met zijn daardoor hoge grondwaterstand is de waterrijkdom zelf de oorzaak ervan, dat daarvan maar in beperkte mate gebruik kan worden gemaakt.

INHOUD Woord vooraf . . . . . . . . . . . . . . Herkomst, eigenschappen en gebruik van grondwater, door prof. W. F . J . M. Krul . . . . . .

3 5

Grondwater en plantengroei, door ir. H. de Vries . . 22 Lysimeters, door drs. G . F . Makkink . . . . . . 42 Kwaliteitsveranderingen van het water tijdens zijn verblijf in de bodem, door prof. dr. J . K . Baars . . 68 Grondwaterrecht en bescherming van waterwinplaatsen, door mr. G. W . Putto . . . . . . . 87 Grondwaterstanden, door ir. J. H . Beltman . . 103

. .

De grondwaterbalans van Nederland, door ir. G . Santing. . . . . . . . . . . . . . . . 129