Water Matters - april 2019

Uitgave H2O Voorwoord 2 Faalkansen boezemkaden in kaart 4 Rubber van autobanden in waterbodem 8 Snel signaleren storing drinkwater 12

WATER

MATTERS KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS April 2019

Intrinsiek slimme drinkwaternetwerken 16 Restwater industrie tegen watertekort 20 Gewenst: validatiemeetnet grondwaterstanden 24 Bufferen met organische stofgehalte 28 Maaiveldafvoer, een eerste verkenning 32 Afvalwater: verwijderen stikstof en methaan 36

2

VOORWOORD

Water Matters: onderzoek met zicht op praktische toepassing Voor u ligt de achtste editie van Water Matters, het kennismagazine van vakblad H2O. U treft negen artikelen over uiteenlopende onderwerpen, geschreven door Nederlandse waterprofessionals op basis van gedegen onderzoek.

Bij de beoordeling heeft redactieraad een selectie gemaakt waarbij is gekeken naar een duidelijke relatie met de dagelijkse praktijk in de watersector; de opzet van Water Matters. Onderzoek, resultaten en bevindingen moeten nieuw zijn en artikelen opleveren die nieuwe kennis, inzichten en technieken presenteren met uitzicht op praktische toepassing.

Ook in deze editie komt een breed scala aan onderwerpen aan bod: van het benutten van industrieel restwater voor het terugdringen van watertekorten, tot verontreiniging van oppervlaktewater door afgesleten rubber van autobanden. Verder onder meer: faalkansen van boezemkaden, intrinsiek slimme drinkwaternetwerken, het effect van organisch stofgehalte in de bodem op wateroverlast en een veelbelovende techniek om CO2-uitstoot en energiegebruik in afvalwaterbehandeling verder te reduceren.

Water Matters is, net als vakblad H2O, een initiatief van Koninklijke Nederlands Waternetwerk (KNW), het onafhankelijke kennisnetwerk voor en door Nederlandse waterprofessionals. Leden van KNW krijgen Water Matters twee keer per jaar als bijlage bij hun vakblad H2O. De uitgave van Water Matters wordt mogelijk gemaakt door vooraanstaande spelers in de Nederlandse watersector. Deze Founding Partners zijn ARCADIS, Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV en Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA). Met de uitgave van Water Matters willen de participerende instellingen nieuwe, toepasbare waterkennis toegankelijk maken.

U kunt Water Matters ook digitaal lezen op H2O-online (www.h2owaternetwerk.nl). Daarnaast is deze uitgave als digitaal magazine ook in het Engels beschikbaar via dezelfde website of via www.h2o-watermatters.com.

De Engelstalige uitgave wordt mede mogelijk gemaakt door Netherlands Water Partnerschip (NWP), het netwerk van circa 200 samenwerkende (publieke en private) organisaties op het gebied van water.

De Engelstalige artikelen kunnen vanuit het digitale magazine op H2O-online worden gedeeld. Voorts zijn artikelen uit eerdere edities terug te vinden op de site. Op Twitter zijn we ook te volgen: @WaterMatters1.

Veel leesplezier met deze editie. Wilt u reageren? Laat het ons weten via redactie@h2owaternetwerk.nl Monique Bekkenutte Uitgever (Koninklijk Nederlands Netwerk) Huib de Vriend Voorzitter redactieraad Water Matters

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

INHOUD Boezemkaden

Waterbuffer

Uitdaging ligt in beheer en onderhoud.

In schrale zandgronden wel, in ander grondsoorten beperkt effect.

Faalkansen ­ vanuit statistisch ­perspectief 4 COLOFON Water Matters is een ­uitgave van Koninklijk Nederlands ­Waternetwerk (KNW) en wordt mogelijk gemaakt door ­ARCADIS, Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Netherlands Water Partnership (NWP), Royal HaskoningDHV en de Stichting Toegepast O ­ nderzoek Water­ beheer (­ STOWA) en ­Wageningen ­Environmental Research (Alterra).

UITGEVER Monique Bekkenutte (KNW) HOOFDREDACTEUR Bert Westenbrink Eindredactie Nico van der Wel REDACTIEADRES Koningskade 40 2596 AA Den Haag redactie@vakbladh2o REDACTIERAAD Huib de Vriend (voorzitter), Gertjan Medema, Paul Roeleveld, Arjan Borger, Jeroen Vervaart, Joachim ­Rozemeijer, Michelle Talsma VORMGEVER Ronald Koopmans DRUK Veldhuis Media, Raalte

Autobanden

Rubberdeeltjes in waterbodem 8

Modelstudie brengt verspreiding in beeld.

Drinkwater ­

Snel signaleren van storingen12 Optimalisering van District Metered Areas.

Netwerken

Slim ontwerp maakt ‘intrinsiek slim’16 Beter waterleidingnet met meer controle en kennis.

Watertekort

Hergebruik industrieel restwater 20

Restwater Bavaria verbetert vochtvoorziening gewas

Grondwaterstand Meetmethoden ­geanalyseerd 24 Onafhankelijk validatiemeetnet geen overbodige luxe.

APRIL 2019

Werkt verhoging organische stofgehalte? 28

Maaiveldafvoer Een eerste verkenning 32 Resultaat: set kaarten die maaiveldafvoer gebiedsdekkend duiden.

Afvalwater

Verwijderen stikstof en methaan 36 Combinatie biologische processen veelbelovende techniek.

3

4

WATER MATTERS

Foto ANP

AUTEURS

Stephan Rikkert en Matthijs Kok

FAALKANSEN VAN BOEZEMKADEN VANUIT EEN STATISTISCH PERSPECTIEF Boezemkaden in IPO-klasse I, II en III voldoen aan de veiligheidsnorm, mits ze goed onderhouden worden. De uitdaging ligt dus niet meer in het toetsen van deze keringen, maar vooral in het beheer en onderhoud.

Een uitgebreid netwerk van waterkeringen beschermt Nederland tegen overstromingen.

Regionale keringen liggen langs boezems, kanalen en regionale rivieren. Figuur 1 laat een overzicht zien van de genormeerde regionale keringen (ongeveer 11.500 km) in Nederland.

Het meerendeel hiervan bestaat uit boezemkaden, gelegen langs boezemwateren in het noorden en westen van Nederland. Deze kaden zorgen ervoor dat het boezemwater niet de polders instroomt en dat polders hun wateroverschot af kunnen voeren. In dit artikel zijn we vooral geïnteresseerd in de boezemkaden, en we gaan er vanuit dat zo’n 8.000 km van de regionale keringen in Nederland bestaat uit boezemkaden.

Regionale keringen worden periodiek getoetst aan de veiligheidsnorm. Bij zo’n toetsing wordt beoordeeld of een kering voldoende weerstand kan bieden tegen de verschillende faalmechanismen. Keringen die worden afgekeurd, moeten een kostbare versterking ondergaan, en jaarlijks worden miljoenen euro’s besteed aan het versterken van boezemkaden.

De vraag is echter of de berekende faalkansen niet een te hoge schatting zijn. Immers, keringen die al tientallen tot honderden jaren functioneren, en zo hun sterkte als het ware hebben bewezen, zijn volgens berekeningen in de toetsing niet sterk genoeg.

De vraag is nu: kunnen we de faalkans als gevolg van het falen van een regionale kering statistisch afleiden op basis van opgetreden faalgebeurtenissen in het verleden? En als dit zou kunnen, hoe groot is dan deze kans?

5

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Figuur 1. 'Kaart van Nederland met de genormeerde regionale keringen in blauw' (LOLA Landscape Architects, 2014)

Delfland de boezemwaterstand zo hoog op, dat water over verschillende kades het achterland instroomde.

Eind juli 2014 gebeurde dit ook vanuit een boezem bij Alphen aan den Rijn. In deze gevallen vond er geen dijkdoorbraak plaats, en was de overlast relatief beperkt.

Bij de Tussenklappenpolder in Groningen werd juist een boezemkade met behulp van een g ­ raafmachine tot falen gebracht. Dit was een bewuste keuze om mogelijke schade elders te voorkomen. Ook zijn er situaties waar keringen tijdens (versterkings)werkzaamheden faalden. Deze keringen zijn buiten beschouwing gelaten in onze analyse, omdat hier door menselijk toedoen de sterkte van de kering blijkbaar (tijdelijk) is aangetast.

Overstromingen door falen van boezemkaden We kijken allereerst naar het aantal doorbraken in de afgelopen 60 jaar. Deze periode is lang genoeg om statistische uitspraken te doen, en kort genoeg om zoveel als mogelijk een homogene reeks te zijn.’ In deze periode vinden we 2 faalgebeurtenissen die hebben geleid tot een overstroming: de dijkdoor­braken bij Tuindorp Oostzaan in 1960 en Wilnis in 2003 (zie Figuur 2).

Zo’n overstroming heeft grote gevolgen voor de omgeving. Nadat Tuindorp Oostzaan in januari 1960 getroffen werd door een overstroming, doordat vroeg in de ochtend een kering was doorgebroken, ­moesten meer dan 11.000 mensen het gebied verlaten. In ­Wilnis brak in de zomer van 2003 een kering na aanhoudende droogte, waardoor de achterliggende polder onder water kwam te staan. Ongeveer 1.500 bewoners moesten worden geëvacueerd, de totale schade bedroeg zo’n €16 miljoen. Het merendeel van de schade – circa 90% – was overigens in de infrastructuur, namelijk de riolering en de boezemkade (Kok, 2006). De schade is in 2003 beperkt gebleven, doordat een aannemer kort na de doorbraak een damwand in de boezem heeft geslagen.

Naast deze faalgebeurtenissen hebben er zich wel op meerdere momenten kritieke situaties ­voorgedaan.

Zo liep in 1998 bij het Hoogheemraadschap van

APRIL 2019

Schatting van de jaarlijkse faalkans Om op basis van empirische gegevens een faalkans te kunnen schatten, hebben we eerst een goede definitie nodig voor falen. We kiezen daarom een definitie die aansluit bij de gebeurtenissen in Tuindorp Oostzaan en Wilnis. Een faalgebeurtenis definiëren we als het doorbreken van een kering, met een overstroming als gevolg. Andere gebeurtenissen, zoals het t­ ijdelijk overlopen van een kade of lokale verzakkingen ­worden dus niet als faalgebeurtenis beschouwd.

Voor het bepalen van de jaarlijkse faalkans maken we, zoals gangbaar in het schatten van kansen in ­‘experimenten’, gebruik van de Poisson-verdeling.

Deze verdeling mag worden gebruikt, omdat de volgende eigenschappen van een van toepassing zijn (zie bijvoorbeeld McClave, Benson en Sincich, 2014): 1. Het experiment bestaat uit het tellen van het ­aantal faalgebeurtenissen per totaalaantal ­boezemkadevakken of per totaalaantal boezemsystemen in 60 jaar.

2. De gemiddelde faalkans van een willekeurig boezemkadevak blijft gelijk, mits de sterkte van de kades en de belasting ongeveer gelijk blijven.

3. Het aantal faalgebeurtenissen in een boezem­ kadevak of boezemsysteem is onafhankelijk van het aantal dat in andere, onafhankelijke ­eenheden voorkomt, mits geen grote veranderingen in of aan het boezemsysteem plaatsvinden die faalkansen beïnvloeden.

Faalkansen boezemkaden in kaart

4

6

WATER MATTERS

Figuur 2. Boven: overstroming bij Tuindorp Oostzaan 1960 (Historisch Archief Tuindorp Oostzaan, z.d.) en onder: overstroming bij Wilnis in 2003 (NOS, z.d.)

Volgens de Poisson-verdeling kan de kans op een bepaald aantal faalgebeurtenissen als volgt worden berekend:

P(X=x)=(e-λ λX)/X! Waarin het verwachte aantal gebeurtenissen in elke eenheid is aangegeven met de Griekse letter lambda, λ en het aantal faalgebeurtenissen met de letter x.

Om de faalkans te bepalen, moeten we eerst weten hoeveel onafhankelijke boezemkades aanwezig zijn.

We volgen hiervoor twee verschillende benaderingen, die een ondergrens en een bovengrens geven. De ­ondergrens (kleinste faalkans) wordt bepaald door het aantal onafhankelijke boezemkaden. De bovengrens (grootste faalkans) wordt bepaald door het aantal onafhankelijke boezemwatersystemen.

Ondergrens (alle boezemkaden onafhankelijk) In Nederland hebben we ongeveer 8.000 km boezemkaden, verdeeld over zo’n 20 boezemsystemen. Dat is gemiddeld 400 km boezemkade per boezemsysteem.

Verder nemen we aan dat ‘onafhankelijke’ dijkvakken gemiddeld 2 km zijn. In totaal zijn er dus 4.000 dijkvakken, gemiddeld 200 per boezemsysteem.

Om de ondergrens te bepalen, nemen we het feit dat van deze 4.000 dijkvakken er enkel 2 zijn gefaald in 60 jaar tijd, λ=2/4.000 per 60 jaar. De kans dat er een willekeurig dijkvak in 60 jaar tijd niet faalt (x=0) is dan ongeveer 0,9995. Per jaar is de gemiddelde faalkans van een kering dan: 1−(0,9995 1/60)≈1/120.000. Dit is dus de faalkans indien de keringen volledig onaf­ hankelijk van elkaar zijn, of met andere woorden: de ondergrens (kleinste faalkans).

Bovengrens (perfecte correlatie binnen boezem­ watersystemen) Tegelijkertijd treedt falen vooral op bij extreme belastingen, zoals een hoge boezemwaterstand al dan niet in combinatie met harde wind en veel

neerslag. Die hoge belasting treedt in het hele systeem (in meer of mindere mate) op. Dat duidt ook een bepaalde mate van afhankelijkheid aan.

Ook in de s­ terkte-eigenschappen van de kering is sprake van een bepaalde mate van ­afhankelijkheid. ­Boezemkaden hebben over het algemeen een ­vergelijkbare geometrie en zijn vaak opgebouwd uit lokaal beschikbare materialen. Tevens loopt een weg die op een dijkvak ligt in veel gevallen door op aangrenzende dijkvakken.

Daarom bepalen we ook de gemiddelde faalkans, gegeven dat keringen binnen hetzelfde boezem­systeem volledig afhankelijkheid zijn. Dit doen we op een vergelijkbare manier als bij een onafhankelijke dijkvakken, alleen nu met λ=2/20, omdat er in 60 jaar tijd 2 keer een faalgebeurtenis heeft plaatsgevonden in 20 boezemsystemen. De kans dat er een ­willekeurig systeem in 60 jaar tijd niet faalt (x=0) is dan 0,905.

De kans op falen van 1 of meer systemen per jaar is dan: (1 _ 0,9051/60≈1/600).

In een volledig afhankelijk seriesysteem is de faalkans van het systeem gelijk aan de faalkans van het element in het systeem met de grootste faalkans:

Pf;systeem = max(Pf;i) Waarin i de index is van de dijkvakken in het systeem.

Dat betekent dat de gemiddelde faalkans per dijkvak per jaar in het systeem niet groter is dan 1/600.

We gaan er hier van uit dat de belastingen in een systeem volledig afhankelijk zijn. Echter, binnen hetzelfde systeem kan de belasting sterk verschillen, bijvoorbeeld doordat neerslag op de kade zorgt dat de ene kade meer is verzadigd dan de andere, of doordat wind zorgt voor scheefstand in het boezemwaterpeil.

De afhankelijkheid binnen een boezemsysteem wordt hierdoor kleiner. Daarmee neemt de faalkans van een dijkvak ook af, waardoor de bovengrens dichter bij de ondergrens komt te liggen.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Tabel 1. IPO-normering met bijbehorende overschrijdings­ kansennormen. Volgens de IPO-richtlijn mag de faalkans 20% van de overschrijdingskans bedragen. In blauw zijn de IPOklasses weergegeven die volgens onze benadering aan de norm voldoen

Aanbevelingen voor de praktijk In dit artikel schatten we de boven- en ondergrens van de faalkans van een boezemkade op basis van eerdere faalgebeurtenissen. Uit onze afleiding blijkt dat de gemiddelde faalkans van boezemkaden in ieder geval niet groter is dan 1/600 per jaar, en waarschijnlijk kan dit nog verder worden verkleind.

We hebben het hier echter over faalkansen, terwijl de IPO-normen zijn uitgedrukt in overschrijdingskansen.

De IPO-richtlijnen stellen dat de faalkans 20% van de overschrijdingskans mag zijn (zie Tabel 1). ­Keringen in IPO-klasse I, II en III hebben gedurende de a ­ fgelopen 60 jaar aangetoond aan deze faalkanseis te ­voldoen, vooral ook omdat de faalkans van deze ­keringen waarschijnlijk veel kleiner is dan de door ons ­berekende bovengrens. Deze zijn in Tabel 1 in groen weergegeven. Keringen in IPO-klasse IV en V voldoen niet direct aan de faalkanseis. Voor deze keringen bevelen we aan om op basis van informatie over overleefde belastingen de faalkans verder te ­verkleinen.

Dit wordt aangeduid als ‘bewezen ­sterkte’. Zo kan voorkomen worden dat keringen onnodig worden versterkt.

Een belangrijke voorwaarde voor onze benadering is dat de faalkans van boezemkades in de tijd gelijk blijft. Hoewel de bodemopbouw en grondkarakteristieken van keringen in de tijd niet of nauwelijks veranderen, kunnen verschillende ‘verouderingsprocessen’, zoals inklinking van de kade of het scheuren van de deklaag, wel bijdragen aan het verzwakken van een kade. Maar door goed beheer en onderhoud kunnen deze verouderingsprocessen vroegtijdig worden gesignaleerd en aangepakt. Kortom, mits goed onderhouden voldoen keringen in IPO-klasse I, II en III aan de veiligheidsnorm. De uitdaging ligt dan niet meer in het toetsen van deze keringen, maar in het beheer en onderhoud.

Stephan Rikkert en Matthijs Kok (Technische Universiteit Delft)

APRIL 2019

IPO-klasse

Jaarlijkse overschrijdingskans

Jaarlijkse faalkans

I

1/10

1/50

II

1/30

1/150

III

1/100

1/500

IV

1/300

1/1.500

V

1/1.000

1/5.000

Dankwoord Graag willen we de STOWA bedanken die met hun financiële steun dit onderzoek mogelijk hebben ­gemaakt.

Referenties Historisch Archief Tuindorp Oostzaan, z.d. Watersnood 1960.

Geraadpleegd van: http://www.historischarchief-toz.nl/350-2/ Kok, M. (2006). Schade na een overstroming. Taak van overheid of eigen verantwoordelijkheid? Externe Veiligheid, 4, 15-17.

McClave, J. T., Benson, P. G., Sincich, T., & Sincich, T. (2014).

Statistics for business and economics. Essex: Pearson.

NOS, z.d. 100 jaar strijd tegen het water. Geraadpleegd van: https://app.nos.nl/evenementen/droge-voeten/ LOLA Landscape Architects (2014). Dijken van Nederland.

SAMENVATTING Nederland kent een uitgebreid stelsel van regio­ nale waterkeringen, waarvan een groot deel bestaat uit boezemkaden, zo’n 8000 km. In de afgelopen 60 jaar, zijn er slechts 2 gefaald met een overstroming tot gevolg. Op basis van deze informatie is vanuit een statistisch perspectief de gemiddelde faalkans van een boezemkade bepaald. Deze blijkt aanzienlijk lager dan de norm die we stellen aan keringen met IPO-klasse I, II en III. Deze keringen voldoen dus aan de norm, mits zij goed worden onderhouden.

Faalkansen boezemkaden in kaart

7

8

WATER MATTERS

Foto Deltares

AUTEURS

Arjen Markus (Deltares)

Marc Weeber (Deltares)

Jos van Gils (Deltares)

Dick Vethaak (Deltares)

SLIJTAGE VAN AUTOBANDEN: WAT KOMT ER IN HET (WATER) MILIEU TERECHT? Elke automobilist weet dat zijn of haar banden slijten, omdat ze na verloop van tijd vervangen moeten worden. Maar wat gebeurt er met het afgesleten rubber op de weg? Komen deze afgesleten deeltjes terecht in ons milieu, en zo ja hoeveel dan? Deltares deed een eerste onderzoek.

Onderzoek naar deze kwestie is nodig, omdat schattingen uit de literatuur tonen dat het om grote hoeveelheden gaat. Wagner et al. (2018) bijvoorbeeld schatten dat het voor heel ­Europa om meer dan 1 miljoen ton per jaar gaat. De verwachting is dat een groot deel van deze deeltjes met regen van de weg afstroomt en in ons watersysteem terecht komt. Dit roept vragen op over de mogelijke gevolgen: • de potentiële consequenties van autobandenstof voor mens en milieu zijn nog grotendeels onbekend. Nader onderzoek naar de risico’s is dringend gewenst; • als er schadelijke gevolgen zijn, wat voor tegenmaatregelen zijn daartegen te nemen?

Te denken valt aan baggeren, zodat het materiaal uit het watersysteem verdwijnt.

Dit zou echter ook kunnen leiden tot het mobiliseren van de rubberdeeltjes in het water, waardoor de bio-beschikbaarheid van het rubber en van de daarin voorkomende stoffen toeneemt. Een alternatief zou kunnen zijn het opvangen van water dat van de wegen afstroomt, zodat de ‘runoff’ vermindert. Ook andere oplossingen zijn denkbaar.

Schattingen van de hoeveelheid autobandenstof in ons milieu zijn onzeker: rechtstreekse metingen zijn schaars. Het alternatief is om op basis van populatiecijfers en weggebruik te schatten hoeveel materiaal er vrijkomt, en de paden en lotgevallen ervan te volgen met behulp van een wiskundig model. De gegevens die bij dergelijke methoden gebruikt worden zijn vaak onnauwkeurig en een zekere spreiding is onvermijdelijk – denk alleen al aan

9

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS Fig. 1. Conceptual model describing the terrestrial generation and transport of TRWP to the estuary. Vehicle distance traveled from the COPERT database and estimates of TRWP emission rates (TNO, 2016) are linked to the E-HYPE hydrology model and DELFT3D-WAQ water quality model.

Rubber autobanden in waterbodem

8

Afbeelding 1. Conceptueel model dat uitstoot en transport op het land van stofdeeltjes van de slijtage van autobanden en wegdek naar het estuarium beschrijft (Unice et al., 2018A)

variaties in rijgedrag of typen autobanden. Daarnaast ondergaan de rubberdeeltjes allerlei processen, zoals samenklontering en afbraak onder de invloed van zonlicht. Daardoor veranderen de deeltjes van vorm en grootte en verandert ook hun transport in het milieu.

Onderzoeksvragen Deltares heeft samen met het Amerikaanse bedrijf Cardno Chemrisk een onderzoek uitgevoerd voor de European Tyre & Rubber Manufacturers' Association. De volgende vragen stonden centraal: • Hoe kan de totale emissie van bandenslijtstof ­worden geschat en hoeveel bedraagt die emissie?

• Hoe kunnen we een transportmodel opzetten voor dit soort verontreiniging op basis van wat er bekend is over wat er met rubberdeeltjes in het milieu gebeurt?

• Gegeven de onnauwkeurigheid van veel van de betrokken gegevens, welke parameters zijn bepalend voor de nauwkeurigheid van dergelijke schattingen?

APRIL 2019

• Hoe verhouden de resultaten zich tot de schaarse beschikbare metingen?

Het onderzoek betrof twee stroomgebieden, de ­Schelde en de Seine, beide gelegen in dichtbevolkte regio’s in Europa.

Schatting van de emissies Rechtstreekse metingen van de hoeveelheid autobandenstof zijn schaars. We moeten het daarom doen met schattingen op basis van gegevens over het autogebruik. Daarvoor zijn gelukkig de nodige databases beschikbaar: • de COPERT-database voor afgelegde afstanden – regionaal, voor verschillende typen voertuigen; • EUROGLOBALMAP met de lengten van de wegen in Europa, en een onderscheid van de verschillende typen wegen. Op een snelweg wordt immers anders gereden dan op een landweg; • de Landscan-database, met bevolkingscijfers; • de CORINE Land Cover-database voor het ­landgebruik.

WATER MATTERS

10

Legend Emission_to_Soil (TRWP t / km2 / year) 0.0000 - 0.0001 0.0001 - 0.0005 0.0005 - 0.0010 0.0010 - 0.0050 0.0050 - 0.0100 0.0100 - 0.0500 0.0500 - 0.1000 0.1000 - 0.5000 0.5000 - 1.0000 1.0000 - 5.0000 5.0000 - 10.0000 10.0000 - 50.0000 Seine catchment Scheldt catchment France and Belgium Europe

50

0

Tenslotte bood een rapport van Deltares en TNO (2016) informatie over de emissie aan autobanden­ stof per type voertuig. Met al deze bronnen was het mogelijk om schattingen te maken van de emissies. Deze schattingen zijn uitgedrukt in tonnen autoband- en wegdeeltjes omdat deze in samengeklonterde vorm in het milieu worden aangetroffen. Van zo’n deeltje bestaat ongeveer de helft uit autobandenstof. Dit leverde als meest waarschijnlijke waarden op: • Schelde: 12.600 ton autoband- en wegdeeltjes per jaar; • Seine: 27.600 ton autoband- en wegdeeltjes per jaar.

Volgens het rapport van Deltares en TNO is de emis50 100 150 200 km sieverklarende variabele, het autogebruik, goed in kaart te brengen (marge van 10 procent) maar zit de onzekerheid in de emissiefactoren (marge van 50 procent voor verschillende categorieën van stoffen).

Verspreiding van het bandenstof Deze emissies zijn vervolgens op basis van de inzichten in processen als bodemerosie en afspoeling gedurende regenbuien en verwijdering in rioolwaterzuiveringsinstallaties, via een transportmodel in het watermilieu gevolgd tot aan de uitspoeling naar zee (zie afbeelding 1).

In het transportmodel is een aantal zaken meege­ nomen: • autoband- en wegdeeltjes verschillen in grootte, vorm en dichtheid. In de modelberekeningen is daarom een range aan deeltjesgrootten en andere eigenschappen meegenomen; • aggregatie (samenklonteren) van autoband- en wegdeeltjes aan elkaar dan wel aan (natuurlijke) zwevende stof; • sedimentatie van de verschillende typen deeltjes; • effect van biofouling – als deeltjes langere tijd in het water verblijven, komt er een laagje organisch materiaal omheen, wat de grootte en dichtheid beïnvloedt; • degradatie onder invloed van licht (UV).

Afbeelding 2. Emissie naar het oppervlaktewater in de stroomgebieden van de Schelde en de Seine Legend

Emission_to_Soil (TRW 0.0000 - 0.000 0.0001 - 0.000 0.0005 - 0.001 0.0010 - 0.005 0.0050 - 0.010 0.0100 - 0.050 0.0500 - 0.100 0.1000 - 0.500 0.5000 - 1.000 1.0000 - 5.000 5.0000 - 10.000 10.0000 - 50.000 Seine catchment Scheldt catchmen France and Belgiu Europe

50

0

50

100

150

200 km

Uit de modelberekeningen blijkt (zie afbeelding 2 voor de geografische verdeling): • in het stroomgebied van de Seine komt ongeveer 18 procent van de TRWP in het oppervlaktewater terecht. Een fors deel daarvan zakt uit en komt in het sediment terecht. Een klein deel (2 procent van het totaal) wordt met het water meegevoerd en komt uiteindelijk in het estuarium en mogelijk in zee terecht; • de rest van het vrijgekomen materiaal vindt zijn weg naar de atmosfeer (2 procent) wordt ver­ wijderd door zuiveringen (18 procent) of eindigt in de bodem (62 procent); • de grootste bijdrage wordt geleverd in de stedelijke gebieden; • de resultaten voor het stroomgebied van de ­Schelde zijn vergelijkbaar met die van het stroomgebied van de Seine.

Modellen kennen altijd onzekerheden. In dit onderzoek is daarom veel aandacht besteed aan de processen die specifiek zijn voor deze verontreiniging.

De belangrijkste parameters die de spreiding in het uiteindelijke resultaat veroorzaken zijn de variatie in deeltjesgrootte en de dichtheid van het rubber.

Daardoor is de spreiding in het geval van de 2 procent die in het estuarium terecht komt uitgedrukt als 50%betrouwbaarheidsinterval (1,4 tot 4,9%).

In het onderzoek lag de nadruk op de paden en lotge-

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

vallen van het autobandenstof. Vervolgonderzoek zou zich kunnen richten op de schadelijkheid van dit materiaal in het milieu, ook in relatie tot andere stoffen in het rubber, bijvoorbeeld zink. Het gehalte hiervan in autobanden kan oplopen tot bijna 2 procent.

Consequenties voor het waterbeheer Voor het waterbeheer betekent dit in de praktijk dat veel autobandenstof zich ophoopt in de waterbodem.

Welke gevolgen dit heeft voor het milieu is helaas moeilijk aan te geven. Wel is uit laboratoriumonderzoek bekend dat er allerlei stoffen vrij kunnen komen, zelfs als de rubberdeeltjes zelf geen schade veroorzaken.

De conclusie dat veel van het autobandenstof in de waterbodem achterblijft betekent enerzijds dat de waterfase minder direct belast wordt, maar ­anderzijds dat de rubberdeeltjes langer in het milieu aanwezig blijven. Bij het uitbaggeren kan dit mate­ riaal weer in zekere mate vrijkomen en gevolgen hebben voor het bodemleven.

Een eerste stap Dit onderzoek was een eerste stap in het in kaart brengen van het probleem voor wat betreft het aquatisch milieu. De industrie heeft nu een beter zicht op de verspreiding van bandenstof en gebruikt de resultaten bij de productontwikkeling. De mogelijke milieueffecten spelen daarbij een rol, maar ook veiligheid (grip van de band op de weg) en levensduur.

De studie is ook gepresenteerd aan het DG Milieu van de EU, en verschafte daar extra inzichten voor de formulering van toekomstig beleid. Naast de effecten op mens en milieu, is de belangrijkste onbekende het gedrag op lange termijn van het bandenstof in de bodem en sedimenten. Verder onderzoek is in voor­ bereiding en zal duidelijk moeten maken in hoeverre er iets aan gedaan kan en moet worden. Veruit de beste oplossing is natuurlijk het zoveel mogelijk voorkomen van dit type verontreiniging. In dit licht kunnen de technische ontwikkelingen rond milieuvriendelijke autobanden toegejuicht worden.

Arjen Markus, Marc Weeber, Jos van Gils en Dick Vethaak (Deltares)

APRIL 2019

11

Referenties Deltares en TNO, 2016. Bandeslijtage wegverkeer. Emissieschattingen Diffuse bronnen – Emissieregistratie. In opdracht van Rijkswaterstaat - WVL. Beschikbaar via: http://www. emissieregistratie.nl/erpubliek/documenten/Water/FactSheets/ Nederlands/Bandenslijtage%20wegverkeer.pdf.

Kole, P.J., Löhr, A., Van Belleghem, F.G.A.J., Ragas A., 2017, Wear and Tear of Tyres: A Stealthy Source of Microplastics in the Environment, International Journal of Environmental Research and Public Health Maakindustrie, 2017, Michelin brengt duurzaam autorijden ­dichterbij met milieuvriendelijke autoband, Online: https:// www.maakindustrie.nl/nieuws/michelin-brengt-duurzaam-­ autorijden-dichterbij-met-milieuvriendelijke-autoband (benaderd dd. 1 januari 2019) Unice, K.M., Weeber, M.P., Abramson, M.M., Reid, R.C.D., van Gils, J.A.G., Markus, A.A., Vethaak, A.D., Panko, J.M., 2018A. Characterizing export of land-based microplastics to the ­estuary – Part I: Application of integrated geospatial microplastic transport models to assess tire and road wear particles in the Seine watershed. Science of the Total Environment, volume 646, pp. 1639-1649.

Unice, K.M., Weeber, M.P., Abramson, M.M., Reid, R.C.D., van Gils, J.A.G., Markus, A.A., Vethaak, A.D., Panko, J.M., 2018B. Characterizing export of land-based microplastics to the estuary – Part II: Sensitivity analysis of an integrated geospatial microplastic transport modeling assessment of tire and road wear particles. Science of the Total Environment, volume 646, pp. 1650-1659.

Wagner, S., Hüffer, T. Klöckner, P., Wehrhahn, M., Hofmann, T., Reemtsma, T., 2018. Tire wear particles in the aquatic environment – A review on generation, analysis, occurrence, fate and effects. Water Research, volume 139, pp. 83-100.

SAMENVATTING Autobanden slijten en komen samen met wegdeeltjes in het milieu terecht. Over wat er daarna met deze deeltjes gebeurt is weinig bekend. Een modelstudie van Deltares voor de stroomgebieden van de Seine en de Schelde maakte duidelijk dat er veel onzekerheden zijn, maar dat rubberdeeltjes vooral in de bodem (62%) en in de water­ bodem (18%) terechtkomen. De milieueffecten zijn niet bekend, wel is duidelijk dat rubberdeeltjes in de waterbodem bepaalde stoffen kunnen afgeven. Verder onderzoek is gewenst, vooral naar het gedrag op lange termijn in (water)bodem en sedimenten.

Rubber autobanden in waterbodem

12

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Karel van Laarhoven (KWR Watercycle Research Institute)

Dennis Gardien (Dunea Duin & Water)

HOE SPOOR JE ZOVEEL MOGELIJK LEKKAGES OP MET ZO MIN MOGELIJK DEBIETMETERS? Het wordt steeds belangrijker voor drinkwaterbedrijven om de waterstromen door het drinkwaterdistributienet goed in kaart te hebben en om verstoringen in de drinkwaterlevering snel te signaleren. Dunea en KWR werken samen aan één van de mogelijke strategieën om dit te realiseren: het distributienet verdelen in District Metered Areas.

District Metered Areas (DMA’s) zijn deelgebieden van een drinkwaterdistributienet waarvan alle in- en uitgaande leidingen zijn voorzien van een volumestroommeter, zodat de ­waterbalans van deze deelgebieden kan worden gemeten. De waterbalans geeft inzicht in waterstromen en verbruikspatronen en maakt afwijkingen ten opzichte van het reguliere verbruik zichtbaar.

DMA’s bieden daarmee ook de mogelijkheid om (sluimerende) lekken real time te detec­ teren en op te sporen, nog voordat een klein lek zich tot een leidingbreuk kan ­ontwikkelen.

In landen met meer hoogteverschil en grotere lekverliezen spelen DMA’s al jaren een ­cruciale rol bij het reguleren van drukken en het reduceren van lekkage in het distributienet.

Plaatsen van debietmeters en aanpassen van de leidingnetconfiguratie is een uitdagende klus. In stedelijke gebieden zoals Den Haag is ruimte in de ondergrond vaak schaars. Ook beschikt de bovengrond over vele vitale functies, zodat het niet eenvoudig is om vergunningen te krijgen om de werkzaamheden uit te mogen voeren. Bovendien zorgt het transportnet voor uitdagingen vanwege de grootte en diepte van de leidingen.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

13

Snel signaleren storing drinkwater

Uiteindelijk neemt de plaatsing van één debietmeter al gauw een week in beslag. Het is daarom essentieel om zo veel mogelijk DMA’s te realiseren met zo min mogelijk volumestroommeters. Dit is een complexe opgave, want de Nederlandse drinkwaterdistributienetten zijn over het algemeen sterk vermaasd, zodat er talloze indelingen mogelijk zijn.

Binnen het gezamenlijk onderzoek van de duinwater­ bedrijven heeft KWR functionaliteit toegevoegd aan de softwaretool Gondwana om het inrichten van DMA’s te kunnen ondersteunen met evolutionaire optimali­ satiemethoden. Hier beantwoorden we de vraag hoe Dunea, ondersteund door deze tool, haar meest complexe netwerk, Den Haag, in kan delen in ­optimale DMA’s.

Optimalisatie In nauwe samenwerking met een team experts van Dunea’s afdeling distributie werden zaken beschreven zoals: het budget dat Dunea jaarlijks beschikbaar heeft voor het plaatsen van watermeters, een representatief model van het drinkwaternetwerk en een overzicht van de leidingen die in aanmerking k ­ wamen als DMA-grens. Door dergelijke expertkennis te digitaliseren kan de optimalisatietool worden voorzien van invoer die de praktijk zo nauwkeurig mogelijk beschrijft. Dit is cruciaal om uitkomsten te verkrijgen die aansluiten bij de realiteit en waardevol zijn voor het waterbedrijf.

Gondwana maakt gebruik van een evolutionair algo-

APRIL 2019

Figuur 1. Schematische weergave van het gebruikte evolutionaire optimalisatiealgoritme. De blauwe vlakken vatten de algemene werking van dergelijke algoritmen samen.

De witte vlakken illustreren de specifieke implementatie van het algoritme die is gebruikt om er een DMA-indeling mee te optimaliseren

ritme, een optimalisatiealgoritme dat is geïnspireerd op concepten uit de genetica. De algemene werkwijze van een dergelijk algoritme is schematisch weergegeven door de blauwe vakken in figuur 1. Eerst wordt een verzameling van mogelijke oplossingen aangemaakt (een populatie van individuen). De oplossingen worden getoetst op hun prestatie volgens de criteria van de gebruiker. Minder goede oplossingen worden weggegooid (natuurlijke selectie) en de verzameling wordt aangevuld met nieuwe oplossingen. De nieuwe oplossingen worden gegenereerd door kleine variaties aan te brengen in goed presterende oplossingen (mutatie) of door elementen uit twee goed ­presterende oplossingen samen te voegen (reproductie). Het proces wordt vervolgens steeds herhaald, waardoor de kwaliteit van de oplossingen geleidelijk verbetert (evolutie).

De witte vakken in figuur 1 geven aan hoe het algoritme specifiek is toegepast om een DMA-indeling te optimaliseren. Een individu wordt gedefinieerd als een netwerk waarin iedere knoop is toegewezen aan een bepaalde DMA. Tijdens reproductie worden mutaties in de nakomelingen aangebracht door: het uitwisselen van knopen tussen DMA’s, het samen-

12

14

WATER MATTERS

Figuur 2. De gekozen DMA-indeling voor Den Haag. Vlakken met verschillende tinten zijn verschillende DMA’s. De drie genummerde lijnen reprenteren de eerste drie van de acht stappen die de optimale transitie naar deze indeling vormen.

In het uitvergrote deel van het netwerk zijn de grenzen tussen DMA’s gemarkeerd met een ster

voegen van aangrenzende DMA’s, het opsplitsen van individuele DMA’s en het construeren van een nieuwe indeling met DMA’s uit twee verschillende ‘ouders’.

De prestatie van een kandidaat DMA-indeling wordt bepaald op basis van twee aspecten. Ten eerste moet het aantal grenzen tussen DMA’s zo laag mogelijk zijn zodat het zo min mogelijk moeite kost om de indeling te realiseren. Ten tweede moet het totale waterverbruik binnen een DMA zo laag mogelijk zijn zodat verstoringen in het verbruik zo goed mogelijk opvallen ten opzichte van het reguliere verbruik.

Een optimale streefindeling De twee prestatiedoelen zijn tegengesteld: om kleinere en nauwkeurigere DMA’s te maken zijn meer volumestroommeters nodig. De eerste uitkomst van de optimalisatie is daarom een verzameling van mogelijke DMA-indelingen met verschillende optimale combinaties van het aantal grenzen en het maximale verbruik (zie figuur 1, ‘Uitkomsten voor Den Haag’).

Dit gaf inzicht in de speelruimte voor Dunea om gevoeligheid en kosten tegen elkaar af te wegen in een DMA-indeling voor Den Haag. Op basis hiervan werd een keuze gemaakt voor de indeling die is weergegeven in figuur 2.

De DMA-indeling in figuur 2 maakt 15 DMA’s met 92 grenzen. Dit zijn te veel grenzen om in korte tijd te realiseren. Daarom werd een optimale transitie bepaald, een volgorde waarin Den Haag gelijkmatig in steeds kleinere DMA’s kan worden verdeeld door steeds een beperkt aantal van de resterende grenzen te realiseren. De eerste drie stappen in deze transitie zijn in figuur 2 met de genummerde lijnen aangegeven. Daarop zullen nog vijf vergelijkbare stappen volgen voordat de 15 DMA’s zijn gerealiseerd.

Realisatie Met de resulterende DMA-indeling gaat Dunea aan de slag om een concreet uitvoeringsplan te maken.

Gezien het vermaasde karakter van het leidingnet is het niet efficiënt om alle bestaande DMA-grenzen als leiding in stand te houden en te voorzien van een volumestroommeter. Voor het definitieve plan wordt daarom een leveringszekerheidsanalyse gemaakt voor de gehele Haagregio. In de analyse wordt per DMA-grens (zoals de sterren in het uitvergrote netwerk in figuur 2) bekeken hoe belangrijk deze is voor de watervoorziening, met de volgende opties: • onmisbare grenzen worden uitgerust met een debietmeter (De meeste grote t­ ransportleidingen ­blijven daarbij wel gewoon in bedrijf, omdat daar waar mogelijk wordt gekozen voor ultrasone ­metingen die aan de buitenkant van de leiding worden geplaatst); • grenzen die nodig zijn bij calamiteiten worden gesloten middels een bestaande afsluiter; • grenzen die overbodig zijn (geworden) worden definitief verwijderd. Hierbij is het uitgangspunt om geen doodlopende leidingen met weinig of geen verbruik te creëren.

Zo wordt bepaald hoe de werkzaamheden eruit ­komen te zien en kan een kostenraming worden gemaakt. Op basis hiervan wordt een planning gemaakt voor de komende jaren. Begin 2019 is gestart met het maken van de eerste ‘knip’, door de Haagregio op te delen in twee balansgebieden volgens lijn 1 in figuur 2. Vervolgens zullen deze gebieden steeds verder worden opgedeeld totdat de streefindeling uit figuur 2 wordt bereikt.

Vooruitblik De uitkomsten van de optimalisatieberekeningen bieden Dunea een concreet en onderbouwd punt om te starten met een DMA-indeling. Voor Gondwana is dit een belangrijk proof-of-principle dat de meerwaarde toont van het implementeren van numerieke optimalisatietechnieken binnen het ontwerpproces van een drinkwaterbedrijf.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

We benadrukken daarbij graag het belang van interactie tussen de expert en de optimalisaties. Enerzijds staan of vallen de uitkomsten van een optimalisatie­ berekening met de ingevoerde vraag en kennis van de expert. Anderzijds geven de uitkomsten de ­expert inzicht in de verschillende mogelijke o ­ ptimale oplossingen, waardoor een nieuw perspectief op het probleem ontstaat en de vraag en invoer kunnen worden aangescherpt. Op basis van de inzichten die in dit project zijn opgedaan zal de hierboven beschreven leveringszekerheidsanalyse bijvoorbeeld worden meegenomen in de prestatiecriteria van toekomstige optimalisaties.

Door het leidingnet in te delen in DMA’s zal Dunea meer inzicht krijgen in wat er gebeurt in het leidingnet. Dunea verwacht de uiteindelijke DMA-indeling te gebruiken om: • waterstromen door het net te volgen en te sturen; • de verbruiksmodellen die worden gebruikt in de bedrijfsvoering te valideren met het daadwerkelijk gemeten verbruik in DMA’s; • het volume lekverlies in de Haagregio per DMA te meten en terug te dringen.

Ook wordt actieve lekdetectie en leklokalisatie mogelijk met DMA’s. Kleine lekken kunnen dan worden opgespoord en gerepareerd voordat een leidingbreuk ontstaat. Enerzijds resulteert dit in minder overlast voor de omgeving (een leidingbreuk kan immers voor aanzienlijke gevolgschade zorgen), anderzijds worden lekkages sneller gedetecteerd zodat de klant minder of geen overlast ondervindt van leveringsonderbrekingen.

Ook kunnen sluimerende lekken die zich niet zichtbaar op het maaiveld manifesteren, worden gedetecteerd en opgespoord. Hierdoor wordt het lekverlies teruggedrongen.

Dunea voorziet ook profijt vanuit de aanpak om niet alle grenzen te voorzien van volumestroommeters, maar ook - waar mogelijk - leidingen te sluiten.

Hierdoor wordt het leidingnet vormgegeven naar de behoefte die er is vanuit het oogpunt van leverings­ zekerheid en waterkwaliteit:

APRIL 2019

15

• minder ‘pendelzones’ (delen van het leidingnet met lange verblijftijden van het drinkwater); • de transportfunctie van grotere leidingen komt beter tot zijn recht; • minder kans op bezinking van sediment, wat ­uiteindelijk leidt tot minder bruinwaterklachten.

Zodoende kan het transportnet in de Haagregio beter worden gebruikt om het achterland van het voorzieningsgebied te voorzien van drinkwater. Het hoofdleidingnet wordt daardoor beter gebruikt waarvoor het is bedoeld, namelijk drinkwatervoorziening op wijkniveau.

Al met al bieden de uitkomsten van dit project de eerste contouren van het leidingnet van de toekomst, dat wordt ontworpen en gemonitord met moderne technieken. De kansen die Internet of Things biedt op het gebied van sensoren passen goed in dit plaatje.

Zodoende wordt het nóg vanzelfsprekender dat er goed en lekker drinkwater uit de kraan komt!

Karel van Laarhoven (KWR Watercycle Research Institute), Dennis Gardien (Dunea Duin & Water)

SAMENVATTING DMA’s stellen een drinkwaterbedrijf in staat om de waterstromen in zijn leidingnet beter in kaart te brengen en om lekkage sneller te signaleren en op te sporen. Het realiseren van een ­complete DMA-indeling vergt echter een groot aantal kostbare ingrepen in het ­drinkwaterdistributienet.

Dunea en KWR werkten daarom samen aan een indeling die met behulp van evolutionaire algo­ritmen is geoptimaliseerd om met zo min ­mogelijk ingrepen te kunnen worden geplaatst. Het r­ esultaat is een streefindeling die de ­komende jaren stapsgewijs door Dunea zal ­worden gerealiseerd.

Snel signaleren storing drinkwater

16

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Peter van Thienen en Mirjam Blokker (KWR Watercycle Research Institute)

NAAR INTRINSIEK SLIMME DRINKWATERNETWERKEN Het concept van slimme drinkwaternetwerken heeft de afgelopen tien jaar terrein gewonnen. Daarbij gaat het niet alleen om het inbouwen van slimme sensoren en algoritmen, maar ook om een slim ontwerp van het leidingnet en meetnetwerken.

Slimme netwerken zijn drinkwaternetwerken die zijn uitgerust met sensoren, waarmee een waterleidingbedrijf het netwerk beter kan controleren wat betreft hoeveelheden (debiet, druk), de toestand van de leidingen (rekstrookjes), of bijvoorbeeld op afstand bediende afsluiters. De term kan ook verwijzen naar het gebruik van algoritmen voor het vinden van defecten (zoals leidingbreuken) of voor geavanceerde procesbeheersing.

Dit alles kan worden beschouwd als het toevoegen van een zenuwstelsel aan het lichaam van de infrastructuur. Het stelt drinkwaterbedrijven in staat om ‘slimmer’ gebruik te maken van de netwerken, maar het maakt de netwerken zelf niet echt slimmer. In dit artikel presenteren we het concept ‘intrinsiek slimme netwerken’: een ontwerp gebaseerd op slimme ontwerpfilosofieën en een slim gebruik van materialen.

Slimme ontwerpfilosofieën Zelfreinigende netwerken Het leidingnet is opgedeeld in functionele groepen: het primaire deel (transportnet), het secundaire deel (distributie tot op wijkniveau) en het tertiaire netwerk (distributie naar de

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

17

Afbeelding 1: Opwarming van drinkwater van bron tot kraan: invloed van het weer en verstedelijking, inclusief antropogene warmtebronnen in de ondergrond (bron: Agudelo-Vera (2018))

klanten). Sinds het begin van de jaren 2000 wordt het tertiaire netwerk in Nederland zo aangelegd dat het risico op bruin water minimaal is en er geen reiniging nodig is. Bruin water ontstaat als in het leidingnet opgehoopte deeltjes opwervelen bij een plotseling hogere stroomsnelheid. Bruin water is ongevaarlijk maar leidt tot ontevreden klanten. Zo’n ophoping van deeltjes is te voorkomen door één keer per dag een hoge stroomsnelheid te genereren. Hiervoor is een tertiair net nodig met buizen van niet-corrosief materiaal en met een kleine diameter; bovendien is eenrichtingsstroom vereist én er mogen geen dode uiteinden voorkomen in de laatste tientallen meters.

Zo’n vertakt netwerkontwerp, te realiseren met een hulpmiddel als DiVerDi, is ongeveer 20 procent korter en daardoor goedkoper.

Klimaatbestendige netwerken De drinkwatertemperatuur wordt grotendeels bepaald door de bodemtemperatuur rond de leidingen van het secundaire en tertiaire netwerk. Door ­klimaatverandering en de toenemende verstedelijking zal de temperatuur van het leidingwater vaker boven de 25 °C uitkomen, met negatieve gevolgen voor de biologische kwaliteit van het drinkwater (afbeelding 1). Dit is te voorkomen met een klimaatbestendig ontwerp: leidingen uit de buurt houden van stadsverwarmingsleidingen en elektriciteitskabels, 20 centimeter dieper installeren, en/of leidingen zoveel mogelijk aanleggen aan de schaduwrijke kant van de straat

APRIL 2019

of onder gras (koeling doordat het gras bodemvocht verdampt).

Numerieke technieken voor ontwerp van slimme netwerken Leidingdiameters Drinkwaternetwerken worden normaliter o ­ ntworpen met hydraulische modelleringssoftware. Het a ­ antal mogelijke ontwerpen is echter zo groot dat het praktisch onmogelijk is om zelfs maar een deel van de mogelijke goed werkende configuraties te onderzoeken. Numerieke optimalisatietechnieken, zoals in Gondwana, genereren ontwerpen die aan alle eisen voldoen en optimaal presteren op door de gebruiker gedefinieerde criteria. Een waterleidingbedrijf wil een leidingnet zo goedkoop mogelijk aanleggen en ­tegelijkertijd op alle aansluitingen voldoen aan eisen aan de druk en bijvoorbeeld de waterkwaliteit (zie afbeelding 2a). Aangezien netwerken decennia lang mee moeten, is het hierbij belangrijk om ook na te denken over de toekomstige watervraag.

Ombouw van een bestaand netwerk Zodra een gewenste netwerk lay-out is gegenereerd, rijst de vraag wat het beste pad is om deze lay-out te realiseren. Hamvraag: wat is beste de volgorde voor het vervangen van leidingen? Daarbij kunnen doelen leidend zijn als het minimaliseren van de overlast voor de klant of een snellere verbetering van de sys-

Intrinsiek slimme drinkwaternetwerken

16

18

WATER MATTERS

a)

b)

c)

Afbeelding 2. Voorbeelden van numerieke optimalisatie van verschillende aspecten van drinkwaternetwerken. a) optimalisatie van de dimensionering van de leidingen - kleuren geven veranderingen in de diameter aan ten opzichte van de huidige situatie (uit: Vertommen et al 2018); b) optimale onderverdeling van een netwerk in DMA's voor anomaliedetectie (uit: van Laarhoven et al 2017); c) optimale volgorde van vervanging van de leidingen (uit: Vertommen et al 2018).

teemprestaties. Ook dit is een optimalisatieprobleem dat kan worden aangepakt met een tool als Gondwana (zie afbeelding 2c voor een voorbeeld).

Plaatsing van afsluiters Bij het ontwerp van het secundaire netwerk is een goede plaatsing van afsluiters essentieel. Afsluiters zijn nodig voor het isoleren van delen van het leidingnet tijdens werkzaamheden, om het aantal klanten dat er last van heeft minimaal te houden. Nu wordt een netwerk meestal ontworpen zonder afsluiters, die worden achteraf aan het plan toegevoegd. Dit is niet ideaal. Ook omdat afsluiters soms niet goed werken of zelfs onvindbaar zijn, betekent dit dat soms meer klanten dan nodig worden getroffen. Een optimale locatiekeuze van de afsluiters (met een minimum aantal afsluiters per isolatiesectie en zonder afhankelijke secties) is nodig om een maximale betrouwbaarheid te garanderen. Hulpmiddelen zoals CAVLAR helpen bij het beoordelen van een ontwerp op dit punt.

Filosofieën en numerieke technieken voor slimme ‘zenuwstelsels’ Netwerkontwerp met slimme meters en sensoren Het belangrijkste voordeel van slimme watermeters bij klanten is dat ze gedetailleerde kennis opleveren over waar en wanneer de watervraag hoog of laag is.

Door inbouw van druk- of waterkwaliteitssensoren en

het verwerken van hun gegevens in een model, kan de kennis verder toenemen.

Waterkwaliteitssensoren (generiek of specifiek) komen steeds meer beschikbaar. Waterdistributiesystemen zijn echter zo complex dat zelfs hydraulische experts moeite hebben om optimale locaties voor waterkwaliteitssensoren te identificeren. Goede sensornetwerken zijn echter wel te ontwerpen met numerieke optimalisatietechnieken, bijvoorbeeld softwaretools als TEVA-SPOT en Contamination Source Toolkit.

De interpretatie van de vele meetgegevens vereist een goed begrip van het systeem. Een slim ontwerp van het leidingnet inclusief sensornetwerk kan de interpreteerbaarheid van deze ‘big data’ enorm verbeteren.

DMA-ontwerp DMA's of district metered areas zijn delen van het distributienetwerk die van de rest geïsoleerd zijn door debietmeters en/of gesloten grensafsluiters. Dat maakt het mogelijk om een waterbalans op te stellen voor zo’n DMA, hetgeen bijdraagt aan het meest voorkomende doel van DMA's: lekdetectie. Het ontwerp van DMA's kan triviaal zijn voor eenvoudige netwerkstructuren, maar voor open en vermaasde netwerken kan de onderverdeling in DMA's minder voor de hand liggen. Ook hierbij is toepassing van numerieke optimalisatietechnieken mogelijk. Daarbij is de puzzel om

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

19

Referenties Agudelo-Vera, C.M. (2018) Aanpak om de hotspots in het leidingnet terug te dringen. BTO rapport 2018.024

de locaties voor debietmeters zodanig vast te stellen dat het vereiste aantal meters minimaal is bij een gewenste detectiegrens voor bijvoorbeeld lekkages.

Afbeelding 2b toont een voorbeeld (zie voor meer ­details het artikel van Van Laarhoven en Gardien elders in deze Water Matters).

Van domme naar slimme netwerken Met deze filosofieën en hulpmiddelen komt het ontwerp en de bouw van een echt, intrinsiek slim netwerk binnen handbereik. Dit geldt in de eerste plaats voor nieuwe infrastructuur, aan te leggen zonder de last van de geschiedenis. Maar ook bestaande infrastructuur kan intrinsiek slimmer worden gemaakt.

Dit vereist de volgende stappen: 1. bepalen van doelstellingen en randvoorwaarden; 2. verzamelen van nauwkeurige en actuele informatie over het bestaande leidingnet en het gebruik ervan; 3. bepalen van mogelijke toekomstscenario's voor de ruimtelijke en demografische ontwikkeling van het gebied en het waterverbruik; 4. optimaliseren van het ontwerp van het netwerk en/ of configuratie van DMA's / afsluiters / sensoren; 5. optimaliseren van de transitie naar dit optimale ontwerp; 6. realiseren van het ontwerp van stap 4 met behulp van de transitie van stap 5; 7. ontwikkelen van beslissingsmodellen voor autonoom functioneren.

Voor de eerste twee punten hebben veel waterbedrijven al een aanzienlijke inspanning geleverd, hoewel aanvullende stappen nodig blijven om met name punten 4 en 5 succesvol uit te voeren. Het derde punt blijft een uitdaging. De laatste drie stappen zijn ontwikkeld in een onderzoekscontext, en kennen nog geen toepassing in de praktijk.

Uiteindelijk verwachten we dat de benadering van intrinsiek slimme netwerken zal leiden tot een beter presterend watervoorzieningssysteem met meer controle en kennis voor minder geld.

Peter van Thienen en Mirjam Blokker (KWR Watercycle Research Institute)

APRIL 2019

Berry J., et al. (2010). User’s Manual TEVA-SPOT Toolkit Version 2.4. EPA 600/R-08/041B. Blokker, M. (2009). Handleiding DiVerDi, ontwerpgereedschap voor vertakte netten. KWR Rapport 9, also: https://www. watershare.eu/tool/self-cleaning-network/ Blokker, M. et al (2011). Asset management of valves. Water asset management international, 7(4), 12-15 Blokker, M. en E. J. Pieterse-Quirijns (2013). Modeling temperature in the drinking water distribution system. Journal-­ American Water Works Association 105.1 (2013): E19-E28 Van Laarhoven, K. et al (2017). Optimal design of virtual DMA's with gondwana." LESAM 2017, Trondheim Van Laarhoven, K. en D. Gardien (2019). Water Matters (this issue) Van Thienen, P. (2014). Alternative strategies for optimal water quality sensor placement in drinking water distribution networks. Hydroinformatica International Conference, New York.

Van Thienen, P. en I. Vertommen (2015) Gondwana: a generic optimization tool for drinking water distribution systems design and operation, Procedia engineering 119 Van Thienen, P. et al. (2017). Advanced modelling and ­optimization in drinking water distribution systems, Water Solutions.

Vertommen, I. et al. (2018). Optimal design of and transition towards water distribution network blueprints. EWAS Inter­ national Vreeburg, J. H. G. (2007). Discolouration in drinking water ­systems: a particular approach. Ph.D. thesis

SAMENVATTING Het concept van ‘slimme drinkwaternetwerken’ heeft de afgelopen tien jaar terrein gewonnen.

Het zijn met name sensoren en algoritmen die een netwerk slim maken in hun gebruik. Door ook het ontwerp van leiding- en meetnetwerken slim aan te pakken, worden drinkwaternetwerken 'intrinsiek slim'. De ontwikkeling richting zulke ‘intrinsiek slimme netwerken’ moet leiden tot een beter waterleidingnet met meer controle en kennis voor minder geld.

Intrinsiek slimme drinkwaternetwerken

20

WATER MATTERS

AUTEURS

WATERTEKORTEN IN LANDBOUW TERUGDRINGEN MET HERGEBRUIK INDUSTRIEEL RESTWATER

Ruud Bartholomeus Marjolein (KWR & Wageningen van Huijgevoort University&Research) (KWR)

Jouke Rozema, (Aequator Groen & Ruimte bv)

Arnaut van Loon (KWR)

Gezuiverd restwater van Brouwerij Bavaria werd gebruikt voor subirrigatie in een landbouwperceel. De grondwaterstand steeg en de vochtvoorziening van het gewas verbeterde. Door benutten van industrieel restwater is terugdringen van watertekorten mogelijk.

We worden meer en meer geconfronteerd met droogteschade aan landbouw en natuur, en een toenemende druk op waterbeschikbaarheid voor hoogwaardige toepassingen, zoals de productie van drinkwater. Om deze risico’s beheersbaar te maken, worden strategieën ontwikkeld om de zoetwatervoorziening op de lange termijn veilig te stellen. Onderdeel daarvan is het verhogen van de regionale zelfvoorziening in de zoetwatervraag, zodat de beschikbare waterbronnen beter worden benut. Dit vereist een aanpak, waarbij verschillende sectoren gezamenlijk oplossingen zoeken voor hun eigen watervraag én die van een ander.

Ondanks watertekorten in de landbouw, lozen industrieën gezuiverd restwater op het oppervlaktewater. Door het restwater niet ongebruikt af te voeren, maar in de omgeving te gebruiken, kan een bijdrage geleverd worden aan het verminderen van watertekorten.

Brouwerij Bavaria wil samen met agrariërs en waterbeheerders haar gezuiverd restwater (effluent van de afvalwaterzuiveringsinstallatie) inzetten om te voorzien in de watervraag van de landbouw, zodat dreigende watertekorten worden afgewend. Hergebruik van het restwater van Bavaria voor de landbouw is één van de doelstellingen van het initiatief ‘Boer Bier Water’ (www.boerbierwater.nl) en F2Agri (www.f2agri.eu).

In het kader van ‘Boer Bier Water’ is in samenwerking met TKI-Watertechnologie concreet invulling gegeven aan het hergebruik van restwater van Bavaria door nabijgelegen agrarische bedrijven. Hiertoe is bij wijze van proef een deel van het restwater via samengestelde, peilgestuurde drainage geïnfiltreerd in een landbouwbodem (Figuur 1).

Subirrigatie Peilgestuurde drainagesystemen zijn ontwikkeld om zowel water af te kunnen voeren, als vast te kunnen houden (o.a. Stuyt, 2013). Ze hebben als bijkomend voordeel dat het mogelijk is om de grondwaterstand en de bodemvochtcondities in een perceel actief te beheren (Bartholomeus et al., 2015).

De mogelijkheid voor zulke actieve optimalisatie van de bodemvochtgehaltes hangt af van de beschikbaarheid van water. Extra mogelijkheden voor het optimaliseren van de watervoorziening van het gewas ontstaan als water actief wordt aangevoerd en via peilgestuurde drainage wordt geïnfiltreerd. We noemen dit subirrigatie en heeft als doel de grondwaterstand en het bodemvochtgehalte te verhogen.

Veldproef Nabij de brouwerij van Bavaria is in een landbouwperceel (8.5ha) een systeem voor subirri­ gatie, met restwater van de waterzuivering van Bavaria als aanvoerbron, gerealiseerd en getest (Figuur 1) (Bartholomeus et al., 2018). Het betreft hier een graslandperceel dat relatief hooggelegen is, met in de zomers grondwaterstanden dieper dan twee meter beneden maaiveld (Figuur 2). Door deze droge uitgangssituatie was op voorhand niet duidelijk of

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

21

Figuur 1: Gezuiverd restwater wordt vanuit de afvalwaterzuivering van Bavaria (groen) in drie richtingen afgevoerd: via een vijzel wordt het water direct aangevoerd naar het landbouwperceel (rood) en naar het Wilhelminakanaal (donkerblauw). Het kanaal dient hierbij als transportmiddel om ook percelen op grotere afstand van de zuivering van water te voorzien. De (traditionele) lozing op de Goorloop (lichtblauw) wordt zoveel mogelijk beperkt. De zwarte stippellijn geeft het transect van het perceel naar de Goorloop uit Figuur 2; de zwarte punten zijn de locaties van grondboringen in het transect

subirrigatie zou leiden tot een verbeterde vochtvoorziening voor het gewas.

Voor subirrigatie is de lokale bodemopbouw van belang: een goed doorlatende bovengrond ter hoogte van de drainage/infiltratiebuizen, met daaronder weerstandbiedende lagen die snelle wegzijging van het aangevoerde water voorkomen.

Voor de monitoring van de effecten van subirrigatie met restwater is een meetnet ingericht, waarmee zowel informatie is verzameld over de lokale e ­ ffecten, als over uitstralingseffecten naar de omgeving.

Voor de analyse zijn neerslag, aanvoerdebieten, ­grondwaterstanden, bodemvochtgehalten en grondwatersamenstelling gemeten.

Resultaten Het doel van subirrigatie is om via een stijging van de grondwaterstand de vochtbeschikbaarheid voor het gewas te verbeteren. Dit moet leiden tot een hogere gewasverdamping en hiermee een hogere ­gewasopbrengst. Het effect van subirrigatie op de gewasverdamping is niet direct gemeten, maar is ­binnen dit onderzoek met behulp van simulaties met het hydrologische model SWAP (Soil-Water-­ Atmosphere-Plant, swap.alterra.nl) inzichtelijk gemaakt.

APRIL 2019

Figuur 3 geeft het verloop van de gemeten grondwaterstand in het midden van perceel voor het jaar voorafgaand aan subirrigatie (2015) en voor drie seizoenen met subirrigatie (2016-2018). Op basis van de metingen is het SWAP-model voor het perceel gekalibreerd. Met het gekalibreerde model zijn het grondwaterstandverloop en het effect van te droge of te natte condities op de verdamping door het gewas voor een situatie met en zonder subirrigatie met elkaar vergeleken.

Voor de situatie zonder subirrigatie geldt dat de grondwaterstand gedurende de zomer steeds dieper wegzakt (Figuur 3), wat resulteert in te lage bodemvochtgehaltes voor het gewas als er niet wordt beregend. Het effect van de extreme neerslag in juni/juli 2016 is zichtbaar in een piek in de grondwaterstand.

Met subirrigatie is zowel in 2016, 2017 als 2018 de natuurlijke daling van de grondwaterstand omgezet in een aanzienlijke stijging.

Subirrigatie heeft geleid tot een grondwaterstand die 100–150 cm hoger is dan dat die zonder subirrigatie was geweest. Door deze hogere grondwaterstand werden de vochttekorten die zonder de maatregel zouden zijn ontstaan opgeheven, ook in het zeer d ­ roge eerste deel van de zomer van 2017. In 2018 is de grondwaterstand ook aanzienlijk verhoogd, maar dat

Restwater industrie tegen watertekort

20

22

WATER MATTERS

Figuur 2: Dwarsdoorsnede van de Goorloop naar het midden van het perceel (transect zie Figuur 1) met daarin de globale locaties van de bodemopbouw (gestippeld = zand, schuin gearceerd = leem) in dit transect en een schets van de gemiddeld hoogste en laagste grondwaterstand (resp. GHG en GLG) in de situatie zonder subirrigatie

bleek onvoldoende om in deze extreem droge periode met een hoge verdampingsvraag, het gewas van voldoende water te voorzien. Daarom is door de agrariër aanvullend beregend.

Uit grondwaterstandsmetingen blijkt dat op de schaal van de proef subirrigatie geen vernattend effect heeft op nabijgelegen percelen en diepere w ­ atervoerende lagen. De extra grondwateraanvulling die op het perceel is gerealiseerd, is namelijk klein ten opzichte van de grondwateraanvulling uit neerslag op grotere schaal. Het effect van subirrigatie is dus lokaal groot en dempt in de omgeving snel uit.

Ondanks dat er een aanzienlijke verhoging van de grondwaterstand is gerealiseerd, neemt de infiltratieweerstand van het subirrigatiesysteem in een lange periode van wateraanvoer toe en de aanvoercapaciteit af. De toename van de infiltratieweerstand kan komen door verstopping van de drainagebuizen. Na het tijdelijk stilzetten van de wateraanvoer, draineren, en daarna weer opstarten van de wateraanvoer veert de infiltratieweerstand weer terug richting de oorspronkelijke waarde.

Zo nam de weerstand toe in de loop van 2017 (Bartholomeus et al., 2018), maar was het systeem weer ­hersteld bij aanvang van de subirrigatie in mei 2018 (zie de stijging van de grondwaterstand door ­subirrigatie in Figuur 3). Afwisselend infiltreren en draineren kan een passende maatregel zijn om

­verstopping van het systeem te beheersen.

Discussie Het is van belang inzicht te krijgen in de kansen en risico’s van hergebruik van effluentstromen ­(‘recycled water’) voor de zoetwatervoorziening. Het ­inzetten van gezuiverd restwater van industrieën voor droogte­bestrijding is in Nederland een nog weinig ­toegepaste, maar opkomende vorm van (klimaat) adaptatie om te anticiperen op toenemende water­ tekorten in de landbouw.

Het initiatief van Bavaria om restwater terug te geven aan de omgeving is hiervan een goed voorbeeld.

Bavaria laat zien dat een industriële partij een wezenlijke bijdrage kan leveren aan de zelfvoorzienendheid van een regio en zo kan meewerken aan een meer klimaatrobuust watersysteem. Samenwerking met alle belanghebbenden is hiervoor van belang. Dit is in het proces binnen ‘Boer Bier Water’ goed afgestemd.

Desalniettemin is er nog veel onbekend op dit thema.

De hoge natriumconcentratie in het effluent is een aandachtspunt in verband met mogelijke ophoping in de bodem en zoutschade aan het gewas. I­ nfiltratie van het effluent leidt verder tot periodiek hoge fosfaatconcentraties in het ondiepe grondwater.

Waarschijnlijk is dit het gevolg van mobilisatie van fosfaat uit de bodem, zodat ophoping van fosfaat geen knelpunt vormt.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Sommige beken op de hoge zandgronden zijn voor hun watervoerendheid in de zomerperiode deels of volledig afhankelijk van effluent. Het is belangrijk dat door effluent in te zetten voor de watervoorziening in de landbouw, beken niet droogvallen en de ecologie van de beken negatief wordt beĂŻnvloed. Het is van belang hierover kennis te ontwikkelen en de belangen van zowel landbouw als natuur in samenhang te beschouwen.

Dit project geeft een goed voorbeeld van een oplossing door gebiedsgerichte samenwerking, waarbij een partij met een wateroverschot een actieve bijdrage levert aan de watervoorziening van nabijgelegen agrarische bedrijven: door beschikbare (alternatieve) waterstromen te benutten voor de landbouwwatervoorziening kan de vraag naar (diep) grondwater voor beregening worden verminderd, waarmee het uitgespaarde grondwater beschikbaar blijft voor meer hoogwaardige toepassingen.

Het huidige grondwaterbeleid lijkt echter nog niet op dergelijk nieuwe oplossingen ingeregeld. Het is noodzakelijk om inzicht te hebben in de mate waarin bijgedragen wordt aan buffering en voorraadvorming en of dit qua waterkwaliteit ook acceptabel is. Dan kan weloverwogen een beleidskoers worden ingezet, zowel op regionale als op landelijke schaal binnen het Deltaprogramma, om Nederland klaar te maken voor een meer robuuste zoetwatervoorziening.

Ruud Bartholomeus, (KWR & Wageningen University&Research), Marjolein van Huijgevoort (KWR), Jouke Rozema (Aequator Groen & Ruimte bv), Arnaut van Loon (KWR)

APRIL 2019

23

Figuur 3: Neerslag (grijze lijn), gemeten grondwaterstand (bolletjes) en gesimuleerde grondwaterstand zonder subirrigatie (rood). De simulaties zijn geldig voor de situatie zonder aanvullende beregening. De grijze vlakken geven de perioden met subirrigatie (vanaf mei 2016). Duidelijk zichtbaar is dat de grondwaterstand als gevolg van subirrigatie aanzienlijk hoger is dan in de situatie zonder subirrigatie

Referenties Bartholomeus, R.P., Van den Eertwegh, G.A.P.H., Simons, G.W.H., 2015. Naar online en optimale sturing van Klimaat Adaptieve Drainage. Stromingen, 24(4): 27-41.

Bartholomeus, R.P., Van Loon, A.H., Van Huijgevoort, M.H.J., 2018. Hergebruik van industrieel restwater voor de watervoorziening van de landbouw - Praktijkproef subirrigatie met gezuiverd restwater van Bavaria. KWR 2018.089, KWR, Nieuwegein.

Stuyt, L.C.P.M., 2013. Regelbare drainage als schakel in toekomstig waterbeheer, Alterra, Alterra-rapport 2370, 488 blz, 269 fig.; 40 tab., Wageningen.

SAMENVATTING In plaats van restwater uit de industrie op het oppervlaktewater te lozen, kan het worden benut voor droogtebestrijding in de landbouw. Bavaria geeft concrete invulling aan hergebruik van hun gezuiverd restwater door agrarische bedrijven in de omgeving. Een test is uitgevoerd met restwater van de waterzuivering van Bavaria door dit te gebruiken voor subirrigatie in een landbouwperceel.

De resultaten wijzen uit dat subirrigatie zorgde voor een dusdanige verhoging van de grondwaterstand en daarmee ook van het bodemvochtgehalte, dat de vochtvoorziening van het gewas verbeterde.

Door industrieel restwater niet ongebruikt af te voeren, maar te benutten voor droogtebestrijding, is terugdringen van watertekorten mogelijk.

Restwater industrie tegen watertekort

24

WATER MATTERS

AUTEURS

Henk Ritzema (Wageningen Universiteit)

Martin Knotters (Wageningen Environmental Research)

METHODEN VOOR DE BEPALING VAN GRONDWATERSTANDEN: KAN HET BETER? Tijdens de extreme zomer van 2018 zijn we gewend geraakt aan nieuwsberichten over grondwater. Maar hoe worden grondwaterstanden eigenlijk gemeten, en hoe worden die metingen verwerkt tot grondwaterkaarten? Dit artikel zet alle gangbare methoden op een rij, inclusief mogelijke foutenbronnen. De resultaten maken duidelijk dat een onafhankelijk validatiemeetnet voor grondwatermetingen geen overbodige luxe is.

In Nederland wordt een grondwaterkarakteristiek (GWK) voor een gebied in drie stappen bepaald: (1) in-situ meting van de grondwaterstand (in het veld); (2) interpolatie en extrapolatie in de tijd; en (3) ruimtelijke interpolatie en aggregatie. Deze procedure is niet gestandaardiseerd. In de praktijk worden meerdere definities en verschillende combinaties van methoden gebruikt. We hebben een analyse gemaakt van de methoden en technieken van de afgelopen 25 jaar. Doel was om de impact te bepalen van de fouten die bij elke stap kunnen optreden, en de consequenties hiervan voor de resulterende grondwaterkarakteristiek.

Welke definities worden gebruikt?

Er worden bij metingen verschillende definities van ‘grondwaterstand’ gebruikt. Daardoor staat niet eenduidig vast of de freatische grondwaterstand, een schijngrondwaterstand, een

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

25

Afbeelding 1. Schema van grondwaterstandmetingen met een grondwaterstandbuis (volledig geperforeerd) en een diepe piëzometer (kort geperforeerd filter)

stijghoogte of de (geohydrologische) grondwater­ stand is gemeten. Daarnaast is het in Nederland ­gebruikelijk de grondwatersituatie op een meetlocatie te karakteriseren met gemiddelden, de zogenaamde GxG’s. Ook deze GxG’s worden niet op uniforme wijze bepaald.

Hoe wordt gemeten?

Er zijn vier methoden in gebruik om de grondwater­ stand te meten: (i) grondwaterstandbuizen; (ii) piëzometers; (iii) open boorgaten; (iv) veldschattingen (afbeelding 1). Deze methoden zijn gestandaardiseerd (type buis, plaatsen, meetmethoden en gegevens­ opslag), maar ze laten wel ruimte voor een eigen invulling (locatie, diepte, filterlengte, frequentie, relatie met grondsoort, etc.). Als een grondwaterstandbuis bijvoorbeeld is geplaatst door een slecht doorlatende laag waarop zich een zogeheten schijnspiegel heeft gevormd, weet je niet precies wat je meet. Dit maakt interpretatie van de meting noodzakelijk, waarbij subjectiviteit kan optreden.

Een piëzometer meet de stijghoogte en niet de frea­ tische grondwaterstand. Bij piëzometers weet je beter wat je meet dan bij een grondwaterstandbuis.

Dat geldt ook voor open boorgaten, mits er wordt geboord tot op een slecht doorlatende laag waarop een stijghoogteverschil of een schijnspiegel optreedt, en er zo nodig meerdere boorgaten worden gemaakt op verschillende diepten om het optreden van schijn­ spiegels vast te stellen.

Uit een vergelijking van de vier meetmethoden aan de hand van 13 beoordelingscriteria kwamen de grondwaterstandbuis en de piëzometer als beste naar voren (Tabel 1).

APRIL 2019

Fouten bij het meten van de grondwaterstand zitten niet zozeer in de meting zelf maar in de onduidelijkheid over wat er wordt gemeten: de freatische grondwaterstand in al dan niet stationaire toestand, de diepte tot een schijngrondwaterstand, of de stijghoogte. Aanvullend worden fouten geïntroduceerd wanneer in de loop der tijd de buizen worden verplaatst, verlengd of als de filterlengte wordt aangepast. Onzekerheid zit ook in het feit dat niet bekend is of tijdens de opname het waterpeil in de buis in evenwicht is met het water in de bodem (denk aan invloeden als grondwaterstroming, luchtdruk en temperatuur). Daarnaast is de nauwkeurigheid een punt, die valt bij druksensoren nogal eens tegen. Elk van deze oorzaken kan leiden tot fouten die variëren van enkele tot tientallen centimeters.

Hoe gebeurt de opschaling in de tijd?

Het opschalen van grondwaterstandmetingen in de tijd kan met (i) directe berekening uit tijdreeksen; (ii) statistische modellen; (iii) procesmodellen en (iv) expertkennis. Opschalen in de tijd is e ­ envoudig wanneer de tijdreeks lang genoeg is en er vaak genoeg gemeten is. Een te korte tijdreeks kan worden uitgebreid met behulp van statistische modellen en/of procesmodellen.

Bij statistische modellen poneert men een model waarin de grondwaterstand op een tijdstip een functie is van de grondwaterstand op het vorige tijdstip plus andere relevante informatie, bijvoorbeeld het neerslagoverschot in de tussenliggende tijd. Proces­ modellen hebben als voordeel dat de meest r­ elevante fysische wetten expliciet onderdeel zijn van het model. Nadelen zijn dat modelbouw en kalibratie bewerkelijker zijn en dat meer invoergegevens nodig zijn. Een aandachtspunt is dat door kalibratie afvlakking van GxG’s kan optreden wanneer alleen de ‘fit’ wordt beschouwd en niet de ‘ruis’ (waaronder meer extreme waarden).

Temporele opschaling kan ook met expertkennis: een veldbodemkundige, voorzien van profiel- en veldkenmerken, schat een GxG. In de praktijk worden vaak

Gewenst: validatiemeetnet grondwaterstand

24

26

WATER MATTERS

Tabel 1.

Beoordeling van vier methoden om freatische grondwaterstanden te meten. Of een methode voldoet is kwalitatief weergegeven, waarbij ++ staat voor ‘voldoet zeker’ en - voor ‘voldoet zeker niet’

meerdere methoden gecombineerd, bijvoorbeeld expertkennis met procesmodellen of een procesmodel met een statistisch model.

Een meetreeks bevat soms gegevens van meerdere buizen, omdat een buis is verplaatst of verlengd, al dan niet aangevuld met modelberekende waterstanden (bijv. met een tijdreeksmodel). Bij temporele aggregatie middelen de fouten zich deels uit maar worden ook nieuwe foutenbronnen geïntroduceerd.

Daardoor kan de fout in de GxG van een buislocatie oplopen tot enkele decimeters en soms zelfs tot meer dan een meter. Vaak zijn de fouten groter op locaties met korte tijdreeksen.

Hoe gebeurt de ruimtelijke interpolatie en aggregatie?

Opschaling naar een grondwaterkarakteristiek van een gebied of een regio gebeurt wederom met vier methoden: (i) expertkennis; (ii) kanssteekproeven; (iii) statistische modellen; (iv) procesmodellen.

Experts kunnen op basis van gebiedskennis een schatting maken van de gemiddelde grondwater­ karakteristiek (GWK) voor een gebied. Hierbij zullen ze niet alleen gebruik maken van vastgestelde GWK’s op meetlocaties binnen het gebied (en erbuiten, in de buurt van het doelgebied) maar ook van aanvullende informatie zoals de hoogtekaart, de bodemkaart en waterpeilen van oppervlaktewater.

Kanssteekproeven worden alleen gebruikt voor ruimtelijke aggregatie. Hierbij worden de locaties waarop de GWK moet worden vastgesteld geloot en

vervolgens worden op basis van deze steekproef de frequentieverdeling van GWK’s geschat of ­parameters daarvan, zoals het gemiddelde, voor het gebied waarin de steekproef is genomen.

Bij statistische modellen is een steekproef niet nodig, maar er worden wel eisen gesteld aan het minimum aantal meetlocaties. Een ander verschil is dat de uitkomsten alleen gelden onder bepaalde modelveronderstellingen (bijv. lineaire relaties, constante variantie van regressieresiduen, stationariteit van het semi-variogram).

Procesmodellen hebben het voordeel dat allerlei (vaak niet-lineaire) fysische relaties kunnen worden meegenomen. Met procesmodellen is het mogelijk om te extrapoleren naar andere situaties (in ruimte en tijd) en om maatregelen en/of scenario’s door te rekenen. Een nadeel is dat vaak veel benodigde invoergegevens en procesparameters niet bekend zijn en berusten op aannames.

Vaak worden temporele en ruimtelijke aggregatiemethoden gecombineerd. Kwantificering van modelfouten blijkt vaak lastig en wordt daarom vaak buiten beschouwing gelaten. Bij ruimtelijke interpolatie komt de interpolatiefout bovenop fouten bij het meten en het temporeel aggregeren, waardoor de fout uiteindelijk gemiddeld zo’n 20 tot 50 centimeter groot kan zijn, uiteraard afhankelijk van het gebied en de gebruikte methode. Anderzijds worden bij ruimtelijke aggregatie toevallige fouten in de puntschattingen van GWK’s juist weer uitgemiddeld.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Wat hebben we geleerd?

De afgelopen zestig jaar zijn de methoden veranderd voor het meten en interpreteren van grondwaterstanden teneinde grondwaterkarakteristieken (GWK’s) voor een gebied te verkrijgen. Voor elk van de drie stappen in dit proces kunnen vier verschillende methoden worden gebruikt. Welke combinatie wordt gebruikt is meestal gebaseerd op het doel van het onderzoek en de beschikbare gegevens. Het gebruik van verschillende combinaties van methoden en technieken heeft zeker geleid tot een beter begrip van de GWK’s in de bestudeerde gebieden.

De impact van fouten bij metingen en onnauwkeurigheden in de temporele en/of ruimtelijke interpolatie en aggregatie, is nooit systematisch onderzocht. Uit onze analyse blijkt dat veranderingen in de methoden voor het meten en interpreteren van grondwaterstanden tot aanzienlijke systematische verschillen in de GWK’s leiden. We konden de nauwkeurigheid van vastgestelde GWK’s echter niet beoordelen, deels vanwege de remediërende interacties tussen de fouten.

Het bepalen van grondwaterkarakteristieken is een iteratief proces waarbij elke stap een aantal ­keren moet worden herhaald om te controleren of de aannames die nodig zijn om een bepaalde stap te doorlopen, de volgende stappen niet belemmeren.

Aan het begin van elk onderzoek moet, op basis van de onderzoeksvragen, een analyse worden gemaakt om de meest geschikte meetlocaties (datasets) te selecteren en vervolgens de meest geschikte methoden om tot een GWK te komen. Essentieel hierbij is te beoordelen of de resulterende nauwkeurigheid voldoende is om de onderzoeksvragen te beantwoorden.

Validatienetwerk Uit ons onderzoek blijkt dat, hoewel we een nationaal meetnet hebben voor het meten van grondwaterstanden, we niet zeker weten of droogtestress of wateroverlast in Nederland wordt onder- of overschat. Om de grondwaterstand objectief en procesonafhankelijk vast te stellen, zijn onafhankelijke validatiegegevens op willekeurig geselecteerde locaties nodig. Helaas voldoen bestaande monitoringputten zelden aan dit criterium. De invoering van een validatiemeetnet om

APRIL 2019

27

objectief de betrouwbaarheid van gebruikte modellen en kaarten vast te stellen, onafhankelijk van de bestaande meetnetten, zou dit probleem oplossen.

Dit artikel is een samenvatting van het project ­‘Verdroging’ van Wageningen Environmental ­Research.

Het project is geïnitieerd n.a.v. discussies rond ­‘numerieke verdroging’ uit de afgelopen jaren en is gefinancierd door WEnR en het Kennis Basis project ‘Duurzame ontwikkeling van de groenblauwe ruimte’ van het ministerie van Economische Zaken.

Henk Ritzema (Wageningen Universiteit) Martin Knotters (Wageningen Environmental Research) Referenties Ritzema, H.P. et al (2018). Analysis of the methodologies used to derive groundwater characteristics for a specific area. Geoderma Regional, Published on line, doi: 10.1016/j.geodrs.2018. e00182 Ritzema, H.P. et al (2012). Meten en interpreteren van grondwaterstanden. Analyse van methodieken en nauwkeurigheid.

Wageningen, Alterra-rapport 2345. 122 blz.

SAMENVATTING In Nederland zijn grondwaterstanden belangrijk voor natuur en landbouw, en bijvoorbeeld ook voor funderingen. Er worden echter ­verschillende methoden gebruikt om grondwaterstanden te meten en een regionaal en landelijk beeld te verkrijgen. Wij hebben geanalyseerd hoe gangbare combinaties van methoden de resulterende grondwaterkarakteristiek (GWK) beïnvloeden. We laten zien dat er geen systematische beoordeling is geweest van de betrouwbaarheid van ­metingen en gebruikte modellen. Daardoor is onzeker of droogtestress of wateroverlast in Nederland wordt onder- of overschat. We doen aanbevelingen voor een meer systematische aanpak om de impact van fouten te verminderen, en pleiten voor de invoering van een validatiemeetnet, onafhankelijk van de bestaande meetnetten.

Gewenst: validatiemeetnet grondwaterstand

28

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Piet Groenendijk (Wageningen Environmental Research)

Henk Wösten (Wageningen Environmental Research)

Romke Postma (Nutriënten Management Instituut)

Rob Ruijtenberg (Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer)

ORGANISCHE STOF: DE MOEITE WAARD VOOR WATERBEHEER? Zijn investeringen in bodemorganische stof de moeite waard voor een waterbeheerder? In schrale zandgronden heeft organische stof een gunstige werking op de waterbeschikbaarheid, maar in andere gronden is het effect beperkt.

Bodemorganische stof staat volop in de belangstelling als een mogelijkheid om effecten van klimaatverandering op het watersysteem te bufferen. Vanuit die gedachte wordt een pleidooi gehouden voor het verhogen van het organische stofgehalte van de bodem door de aanvoer van extra organisch materiaal. Het is echter de vraag wat dergelijke investeringen opleveren voor de vochtleverantie in droge periodes, de oppervlakkige afstroming in natte periodes.

In de bodem komen veel beleidsthema’s samen. Zo speelt de bodem een cruciale rol bij de ontwikkeling van duurzame landbouwsystemen, bij kringlooplandbouw en de opgave om koolstof vast te leggen. Vanuit het waterbeheer is de verwachting dat de bodem een bufferende rol kan spelen op de gevolgen van extremer weer door klimaatverandering.

Bodemorganische stof speelt in al deze thema’s een hoofdrol. In dit artikel gaan we aan de hand van onderzoeksgegevens in op de vraag of investeringen in bodemorganische stof de moeite waard zijn voor een waterbeheerder. Draagt organische stof bij aan het voorkomen of verminderen van droogteschade en draagt het bij aan het verkleinen van wateroverlast?

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

29

Figuur 1 Extra beschikbaar bodemvocht in een laag van 10 cm door een verhoging van het organische stofgehalte met 1%, als functie van het organisch stofgehalte vòòr de verhoging

Het beeld bestaat dat organische stofgehalten in landbouwgronden gedaald zijn, maar uit de trend­ analyse met een groot aantal grondmonsters blijkt dat het gehalte stabiel is, of een licht stijgende trend laat zien1. In enkele situaties is wel een daling opgetreden.

Functies van organische stof in de bodem 1. Organische stof vergroot waterberging. Doorgaans wordt het beschikbaar bodemvocht uitgedrukt als het verschil tussen het watergehalte bij veldcapaciteit (‘voldoende water beschikbaar’) en bij verwelkingspunt (‘plant kan geen water meer ­opnemen’).

Uit beschikbare meetgegevens zijn relaties afgeleid2, waarmee het effect van organische stof op het beschikbaar bodemvocht is te voorspellen.

Deze relatie is in Figuur 1 uitgewerkt voor twee zandgronden.

Te zien is dat een verhoging van het organische stofgehalte in arme gronden met een laag gehalte het grootste effect geeft. De lijnen in de figuur zijn gegeven voor een dikte van een bodemlaag van 10 cm. Een verhoging van het organische stofpercentage met 1% in een wortelzone van 30 – 50 cm diep resulteert in 2 – 3 mm extra beschikbaar water. Voor schrale zandgronden is het effect groter: 5 – 8 mm extra beschikbaar water. Van het bouwlandareaal op zandgrond heeft 4% (ca 13000 ha) een organisch stofgehalte lager dan 2% en 22% van het oppervlak (ca 75000 ha) heeft een gehalte tussen 2 en 3%.

2. Organische stof verlaagt de bulkdichtheid van bodems, wat kan leiden tot gunstiger omstandigheden voor een diepere beworteling waardoor een gewas bij dieper zittend water kan.

3. Organische stof heeft invloed op de stabiliteit van

APRIL 2019

bodemaggregaten. Bodemlagen met een organisch stofgehalte groter dan 5% hebben 80% of méér stabiele en grotere aggregaten (samenhangende bodemdeeltjes) in vergelijking met bodemlagen met een laag organische stofgehalte3. Een goede bodemstructuur is essentieel voor de draagkracht, de infiltratiecapaciteit, de beperking van de slempgevoeligheid en een verminderde kans op bodemverdichting.

4. Organische stof draagt naast het kleigehalte en de zuurgraad bij aan het vermogen van een bodem om de kationen calcium, magnesium, kalium en ammonium te binden, en daarmee gedeeltelijk beschikbaar te houden voor plantopname.

5. Organische stof speelt een belangrijke rol in het bodemleven. Het vormt de enige bron van energie en bouwstoffen voor heterotrofe organismen. Deze organismen staan aan de basis van het bodem-voedselweb en dienen op hun beurt weer als belangrijkste voedselbron voor andere ­bodemorganismen, en dragen zo bij aan a) vertering van organische stof en mineralisatie en levering van voedingsstoffen voor planten; b) de hierboven beschreven bodemfysische functies en c) de weerstand van het bodem-plantsysteem tegen ziekten.

Statistische analyses van databases met bodemgegevens geven aan dat er nauwelijks een verband bestaat tussen het organische stofgehalte en de infiltratie­ capaciteit van de bodem4. Echter, bedrijfssysteem­ onderzoek met verschillende vormen van lange termijn organische stofbeheer in gewone en biologische landbouw wijst uit dat de infiltratiecapaciteit van de bodem groter wordt door verhoogde aanvoer5. Het beheer van de bodem heeft een grotere invloed op de

Bufferen met organisch ­stofgehalte

28

30

WATER MATTERS Figuur 2 Berekende reductie van extreme 4-uursafvoeren in de zomer en 24-uursafvoeren in de winter bij herhalingstijden van 2 en 10 jaar als gevolg van door verbeterde infiltratie eigenschappen van de bodem en een aanpassing van het maaiveld reliëf

infiltratiecapaciteit dan het organische stofgehalte dat in grondmonsters wordt gemeten.

Effectieve organische stof en opbouwtijd Het deel van aangevoerde organische stof (mest, compost en gewasresten) dat na een jaar nog niet is afgebroken of omgezet door bodemorganismen is gedefinieerd als effectieve organische stof (EOS), ­omdat het bijdraagt aan de opbouw van OS in de bodem.

Aangevoerde organische stof met een hoger ­aandeel EOS draagt sterker bij aan de verhoging van het ­organische stofgehalte van de bodem dan materialen met lager EOS-gehalte.

Het verhogen van het organische stofgehalte is een proces van lange adem. Voor een verhoging van het organische stofgehalte met 1% door aanvoer van een materiaal met een hoog EOS-aandeel (compost) wordt een periode van 10 tot 30 jaar berekend.

Belang voor de landbouw Een agrariër kan door een bewuste keuze voor ­gewassen die veel droge stof produceren, en waarvan de gewasresten (stengels, stoppels, bladeren, wortels en kaf) in de bodem worden ingebracht, het ­organische stofgehalte verhogen. Grasland brengt relatief veel organische stof in de bodem, echter na scheuren breekt een aanzienlijk deel van de ­opgebouwde v­ oorraad af. Graslandbeheer gericht op zo min mogelijk scheuren draagt bij aan de opbouw van organische stof in de bodem.

Het voorkomen van kale grond en door jaarrond verbouw van gewassen (bodembedekkers, vang­ gewassen) verhoogt de inbreng van organische stof en vermindert bodemerosie en uitspoeling van ­nutriënten.

Het effect van organische stof op de landbouw­

productie is bijna altijd indirect. Een meta-analyse van de resultaten van 20 langdurende experimenten in verschillende Europese landen geeft aan dat het additionele effect van de aanvoer van organische stof gemiddeld niet significant is6.

Belang voor waterbeheer; voorkomen en ­verminderen van droogteschade en wateroverlast In een droge zomer, waarin het neerslagtekort ­permanent toeneemt, is het effect van de extra water­ berging gering. Echter, in een matig droge zomer met regelmatig een regenbui kan de extra waterberging meerdere malen worden benut en kan een ­beregeningsbeurt worden uitgesteld en soms worden uitgespaard.

Over de effecten van organische stof op de vermin­ dering en verlaging van afvoerpieken door een verbeterde bodemstructuur is nagenoeg geen kwantitatieve informatie bekend, evenals van de effecten van ­regenwormen en andere organismen op de waterinfiltratie. In het onderzoeksprogramma Lumbricus wordt hiernaar gekeken.

Organisch stofgericht bodembeheer (­gewaskeuze, ­inbrengen van gewasresten, teelt van bodem­ bedekkers en vanggewassen) kan een grotere infiltratiecapaciteit en een ruwer maaiveld tot gevolg heeft, waardoor afvoerpieken kleiner worden. In een verkennende modelstudie zijn effecten van een dergelijk b ­ odembeheer op oppervlakkige afstroming berekend6. Aangenomen is dat het bodembeheer leidt tot grotere doorlatendheid en dat de gewassen een dieper wortelsysteem ontwikkelen. Daarnaast is een scenario doorgerekend waarin de ligging van het maaiveld is aangepast (egaliseren, drempels, randdam). In figuur 2 zijn de resultaten voor bouwland op een veldpodzol weergegeven voor situaties met

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

herhalingstijden van 2 en 10 jaar. Vooral de zomer­ piekafvoeren na hevige regenbuien worden gere­ duceerd.

Aanpassingen van het maaiveld hebben een groter ­effect dan een verbeterde infiltratie door bodembeheer. Daar komt bij dat maaiveldaanpassingen veel sneller tot een effect leiden dan organische stofgericht bodembeheer. Echter, meer en vaker water op het maaiveld is voor veel teelten ongewenst. Een minder extreme vorm van maaiveldaanpassing, zoals bijvoorbeeld door het aanbrengen drempels of kuiltjes, kan tot een verbeterde waterinfiltratie en reductie van afvoerpieken leiden en kan door minder plasvorming zelfs een positief effect hebben op de gewasproductie.

Conclusies • Effecten van maatregelen om het organische stofgehalte te verhogen op droogteresistentie en piekafvoeren zijn moeilijk uit te drukken in millimeters of euro’s per hectare. Directe effecten zijn slechts sporadisch gekwantificeerd in veldonderzoek.

Vanwege deze kennislacune hebben modelonder­ zoeken naar de effecten een verkennend karakter.

• Het effect van organische stof op het voorkomen en verminderen van droogteschade speelt voornamelijk in gronden met een laag percentage (<2 à 3% organisch stof). Het areaal van dergelijk gronden is klein.

• Oppervlakkige afstroming vermindert als gevolg van de teeltmaatregelen en de bodembeheersmaatregelen die gericht zijn op organische stofverhoging. De effecten zijn echter alleen op de langere termijn te verwachten en zijn onzeker. ­Aanpassingen van het maaiveld sorteren veel sneller een effect.

Piet Groenendijk (Wageningen Environmental Research) Henk Wösten (Wageningen Environmental Research) Romke Postma (Nutriënten Management Instituut) Rob Ruijtenberg (Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer)

APRIL 2019

31

Referenties Velthof et al (2017) Effecten van het mestbeleid op landbouw en milieu; Beantwoording van de ex-postvragen in het kader van de evaluatie van de Meststoffenwet. Wageningen Environmental Research, Rapport 2782 Wösten et al (2001) Waterretentie- en doorlatendheidskarak­ teristieken van boven- en ondergronden in Nederland: de ­Staringreeks. Vernieuwde uitgave 2001. Alterra-Rapport 153.

Faber et al (2011) Droogteresistentie van grasland in de ­Gelderse Vallei. Kijk eens wat vaker onder de graszode. ­Alterra-Rapport 2373.

Rahmati et al (2018) Development and analysis of the Soil Water Infiltration Global database. Earth Syst. Sci. Data, 10:1237-1263.

Williams et al (2017) Organic Farming and Soil Physical Properties: An Assessment after 40 Years. Agron. J. 109:600–609 Hijbeek et al (2017) Do organic inputs matter – a meta-analysis of additional yield effects for arable crops in Europe. Plant Soil 411:293-303.

Schipper et al (2015) Goede grond voor een duurzaam watersysteem Verdere verkenningen in de relatie tussen agrarisch bodembeheer, bodemkwaliteit en waterhuishouding.

STOWA-Rapport 2015-19.

Bufferen met organisch ­stofgehalte

SAMENVATTING Bij waterbeheerders bestaat de verwachting dat een verhoging van het organische stofgehalte in de bodem bijdraagt aan het bufferen van de gevolgen van extremer weer door klimaatverandering. In schrale zandgronden heeft organische stof een gunstige werking op de waterbeschikbaarheid, maar in andere gronden is het effect beperkt. Organische stofgericht bodembeheer kan de bodemstructuur verbeteren, met gunstige effecten op de vermindering van oppervlakkige afspoeling en wateroverlast. In dit artikel is enkel gekeken naar fysische effecten, want kwantitatieve kennis over de invloed van de bodembiologie is nog niet beschikbaar.

32

WATER MATTERS

Een goot om maaiveldafvoer op te vangen

AUTEURS

Bas Worm (Waterschap Vechtstromen)

Jan van Bakel (De Bakelse Stroom)

Perry de Louw (Deltares)

Harry Massop (WUR/WEnR)

MAAIVELDAFVOER: VERKENNEND ONDERZOEK NAAR EEN ONDERBELICHT HYDROLOGISCH VERSCHIJNSEL Maaiveldafvoer is in Nederland een onbekend fenomeen. En dat terwijl het kan leiden tot extreem hoge afvoeren met erosie en overstromingen tot gevolg. In Noordoost-Twente heeft maaiveldafvoer geleid tot diepe insnijding van beken.

Er kunnen ook pieken ontstaan van nutriënten en gewasbeschermingsmidde­ len in het oppervlaktewater. Bovendien is al het water dat oppervlakkig tot afvoer komt, via het maaiveld dus, verloren voor de zoetwatervoorziening van gewassen. Reden genoeg voor waterschap Vechtstromen om een onderzoek te starten.

Maaiveldafvoer is relevant voor zowel de waterschappen, die op de kwaliteit van het oppervlaktewater (KRW) en op (grond)waterpeilen moeten letten, als voor boeren, die zuinig en effectief moeten omgaan met dierlijke en organische bemesting. Afgelopen zomer heeft duidelijk laten zien dat water ‘sparen’ net zo belangrijk is als het voorkomen van wateroverlast. Ook daarvoor is het belangrijk dat het water zo min mogelijk oppervlakkig afstroomt,

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

want dat is dan een ongewenste verliespost. Kortom, maaiveldafvoer is een veelkoppig monster.

Het belang van meer kennis over maaiveldafvoer zou evident moeten zijn voor iedereen die met water en waterbeheer van doen heeft: van boer en water­ beheerder tot planvormer. Immers, als we dit verschijnsel niet goed in de vingers hebben, hoe kunnen we dan goede voorspelmodellen maken en (toekomstige) maatregelen in een stroomgebied tegen elkaar afwegen?

Ook klimaatverandering is een factor. Die geeft een toename van de totale jaarneerslag maar ook voor langere perioden van droogte in het groeiseizoen, afgewisseld met steeds extremere neerslaggebeurtenissen. Daardoor stijgt de kans op maaiveldafvoer.

Aanleiding genoeg voor waterbeheerders om het probleem te onderzoeken en te zoeken naar hande­ lingsperspectieven. Doel van de hier beschreven onderzoeken was allereerst om een idee te krijgen van de omvang van maaiveldafvoer en van de precieze omstandigheden waarin het optreedt (meetonderzoek op perceelschaal). Vervolgens is een methode ontwikkeld om maaiveldafvoer gebiedsdekkend te duiden.

Er is dus eerst een meetonderzoek op perceelschaal verricht om nut en noodzaak te duiden en vervolgens is een regionale inschatting van maaiveldafvoer gemaakt op basis van gebiedskenmerken.

2014: metingen op perceelsschaal Binnen het beheergebied van Waterschap Vecht­ stromen heeft Deltares in 2014 een veldexperiment gedaan in Noordoost-Twente, op een hellend perceel op de flank van de stuwwal van Ootmarsum. ­Daarbij ging het om de vraag wat ‘maaiveldafvoer’ in de praktijk precies inhoudt: in welke mate en i­ntensiteit treedt het op, waar treedt het op en gaat het om grondwaterkwel of overvloedige neerslag?

Het onderzoek viel onder het Interreg-project ‘DROP’ (benefit of governance in DROught adaPtation). De veldproef ging van start in het voorjaar 2014 en er is 2 jaar gemeten. Al gauw werd duidelijk waarom maaiveldafvoer zo onbekend is: het is veel werk om het objectief en kwantitatief in beeld te brengen. Nodig zijn een uitgebreid meetnet van freatische grond­ watermeetpunten, bodemvochtsensoren en goten

APRIL 2019

om maaiveldafvoer op te vangen (zie foto). Bovendien moesten er speciale afvoerstations geplaatst worden voor het meten van maaiveld-, drain- en slootafvoer en neerslag. Daarnaast moest de bodem in detail gekarteerd worden (diepte van keileem), werd de bodeminfiltratiecapaciteit gemeten en is de chemische samenstelling van grond- en oppervlaktewater bepaald.

De belangrijkste conclusies zijn dat maaiveldafvoer in zomer en winter nogal verschilt. In de zomer bepaalt de intensiteit en duur van regenbuien het optreden van maaiveldafvoer en in de winter de bergingscapa­ citeit van de bodem boven het (schijn-) grondwater­ vlak. In de zomer is de intensiteit van buien veel groter dan in de winter. Tijdens hevige zomerbuien (meer dan 10 millimeter per uur) wordt de infiltratiecapaciteit van de bodem (3-10 mm/uur) al snel overschreden waardoor regenwater over het maaiveld afstroomt. De grondwaterstand staat gedurende deze periode ruim beneden maaiveld (1,0 meter of dieper) en speelt geen rol bij het genereren van maaiveld­ afvoer.

In de winter komt maaiveldafvoer vaker voor en de gemeten afvoeren zijn hoger. Het treedt voornamelijk op na langdurige regenval met hoge dagsommen.

Hierdoor vult de bodem zich met water en stijgt de grondwaterstand vaak tot aan of nabij maaiveld, waardoor regenwater nauwelijks kan infiltreren.

Ook bevroren bodems kunnen een rol spelen. In de meetperiode trad maaiveldafvoer vaak op, namelijk op 93 van de 475 dagen (circa 20 procent van de tijd!).

Het betreft in dit geval wel een speciale situatie waarbij gestuwde keileem in de ondergrond een belang­ rijke rol speelt.

De studie toont aan dat maaiveldafvoer – zeker in ­hellende en gestuwde gebieden – een belangrijk hydrologisch proces is. Ook in gebieden met veel verharding (stedelijke omgeving), ondiepe ondoorlatende lagen (keileem in gestuwde formaties) of verdichte bodems zal het vaak optreden. Het ­reduceren van piekafvoeren door maaiveldafvoer in het l­ andelijke gebied is mogelijk met – technisch gezien – r­ elatief eenvoudige maatregelen op perceelsniveau.

Maaiveld­afvoer draagt namelijk pas bij aan piekafvoeren wanneer het water daadwerkelijk de sloot

33

Maaiveldafvoer, onbekend verschijnsel

32

34

WATER MATTERS

Afbeelding 1. Maaiveldafvoer (in millimeters per dag) in de zomer voor een maatgevende bui (of reeks van buien) met een herhalingsinterval van 1 jaar (T1, links) en 10 jaar (T10, rechts)

bereikt en dit is te voorkomen door het aanbrengen van microreliëf op percelen. Ook een andere manier van landbewerking is een goede optie, bijvoorbeeld door parallel aan de hoogtelijnen te werken of door de doorlatendheid van de bodem te vergroten.

De aanbevelingen uit dit onderzoek waren om de bevindingen op te schalen naar regionaal niveau en ze te vertalen naar andere gebieden met speciale aandacht voor de hellende gebieden.

Regionale opschaling maaiveldafvoer In het kader van een studie naar maatgevende afvoeren in het beheergebied van Waterschap Vechtstromen, bleek onder andere dat maaiveldafvoer hierbij een grote onbekende is. Naar aanleiding van het veldonderzoek bij Ootmarsum is op basis van alle bestaande kennis een (vooralsnog) theoretische ­methode ontwikkeld om maaiveldafvoer gebiedsdekkend in kaart te brengen. De methode houdt onder meer rekening met de in Ootmarsum gevonden typische verschillen tussen zomer en winter. Een uitgebreide technische beschrijving van de methode is te vinden in het tijdschrift Stromingen.

De methode komt er op neer dat voor een bepaalde maatgevende bui (zomer) en opeenvolging van buien (winter) bepaald wordt hoeveel water in de bodem infiltreert en hoeveel op het maaiveld ‘achterblijft’.

Voor het zomer- en winterhalfjaar wordt hiervoor een aparte benadering gevolgd; voor de zomer wordt de intensiteit van de maatgevende bui vergeleken met de bodeminfiltratiecapaciteit en voor de winter wordt de hoeveelheid neerslag geconfronteerd met de bergingscapaciteit van de bodem (afhankelijk van grondwaterstand en ondergrondse afvoer). Van het water dat op het maaiveld achterblijft wordt vervolgens bepaald hoeveel daarvan ook werkelijk op het maaiveld geborgen kan worden in het aanwezige micro-reliëf en de eventueel aanwezige strooisellaag.

Dat wat dan nog resulteert aan water, het surplus, is de potentiële maaiveldafvoer.

Op deze wijze zijn voor het hele werkgebied van water­schap Vechtstromen kaarten gemaakt met de theoretische maaiveldafvoer in verschillende hydrologische situaties (T=1 en T=10, zie afbeelding 1), voor zowel het winter- als het zomerhalfjaar (afbeelding 1). Ook is gekeken naar mogelijke effecten van de KNMI-klimaatscenario’s. Daaruit blijkt dat onder twee varianten van het ‘warme’ scenario – WH en WL – er in de winter een toenemende kans op maaiveldafvoer is. Voor de zomer is het lastiger om uitspraken te doen omdat hier uurneerslagen voor nodig zijn en die waren in de meteoreeksen van station Twente niet beschikbaar.

Een belangrijke conclusie is dat ’s zomers vooral bij buien met een herhalingstijd van 10 jaar onder de huidige omstandigheden in een flink aantal afwateringseenheden meer dan 20 millimeter maaiveld­ afvoer per dag op kan treden. Dit is flink hoger – circa 1,5 keer! – dan de maatgevende afvoer voor natte zandgronden zoals opgenomen in het Cultuurtechnisch Vademecum. Dit is een belangrijke aanwijzing dat maaiveldafvoer een belangrijke bron voor piek­ afvoeren is en het is bovendien een aanwijzing dat de in het Cultuurtechnisch Vademecum opgenomen lijst van maatgevende afvoeren aanpassing behoeft.

Het klakkeloos toe blijven passen van de daarin

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

35

programma’s en projecten, zoals het ‘Programma Lumbricus’ (www.programmalubricus.nl) en ‘Mineral Valley Twente’ (https://mineralvalley.nl/). We hopen via deze weg de ontwikkelde methode op zijn merites te kunnen beoordelen en desgewenst te verbeteren.

Bas Worm (Waterschap Vechtstromen), Perry de Louw (Deltares), Jan van Bakel (De Bakelse Stroom), Harry Massop (WUR/WEnR)

vermelde afvoercoëfficiënten in ontwerpen en beoor­ delingen van waterlopen en kunstwerken, leidt tot het risico van stevige onderschatting van de werkelijk optredende afvoeren.

Conclusie en vervolg In hellende, gestuwde gebieden en gebieden met slecht doorlatende bodems (al dan niet verdicht door menselijk handelen) is maaiveldafvoer een factor van betekenis in de reactie op neerslag. Uit metingen in gestuwde gebieden is vast komen te staan dat in de winter tot 20 procent van de tijd maaiveldafvoer kan optreden. Uit de theoretische gebiedsdekkende benadering is geconstateerd dat bij flinke zomerse buien (herhalingstijd van 10 jaar) onder de huidige omstandigheden maaiveldafvoeren van meer dan 20 millimeter per dag op kunnen treden; meer dan we bij hantering van de gangbare normen mogen verwachten. Daar komt nog bij dat in de verschillende KNMI-klimaatscenario’s de kans op het optreden van flinke maaiveldafvoer nog verder toeneemt.

Via extra veldexperimenten willen we de komende jaren de geldigheid van de genoemde theoretische uitkomsten voor het werkgebied van waterschap Vechtstromen verder onderzoeken. Een aantal van deze veldexperimenten wordt ingevuld via lopende

APRIL 2019

Referenties De Louw, P. & M. Kuijper (2016). Veldonderzoek ­oppervlakkige afstroming en regelbare drainage in het kader van DROP. Deltares-rapport 1208453-000,in opdracht van Waterschap Vechtstromen.

Massop, H., J. van Bakel & P. de Louw (2017) ­Maatgevende afvoer en maaiveldafvoer in Waterschap Vechtstromen.

WEnR-rapport 2839 in opdracht van Waterschap Vechtstromen. http://edepot.wur.nl/425042 Van Bakel, J., P. de Louw, H. Massop & B. Worm (2018). Maai­ veldafvoer in beeld. In: Stromingen, nummer 2, jaargang 24, pp 23-36.

SAMENVATTING Maaiveldafvoer is in Nederland slecht bekend.

Om meer grip op dit verschijnsel te krijgen is in 2014 en 2015 op een aantal percelen nabij ­Ootmarsum een eerste meetonderzoek uitgevoerd. De uitkomsten zijn meegenomen in een theoretische vervolgstudie omtrent maatgevende afvoeren in het werkgebied van Waterschap Vechtstromen. Dat heeft geresulteerd in een set kaarten die de (theoretische) maaiveldafvoer gebiedsdekkend duiden. Het is de bedoeling om de waarde van deze kaarten (en de gehanteerde methode) te toetsen met aanvullende veldproeven.

Maaiveldafvoer, onbekend verschijnsel

36

WATER MATTERS

AUTEURS

Monique Slegers (Radboud UniversiteitMicrobiologie)

Francisca Maalcke-Luesken (Radboud UniversiteitMicrobiologie)

Mike Jetten (Radboud UniversiteitMicrobiologie)

Tim Hendrickx (Paques BV)

Carla Frijters (Paques BV)

Richard Haarhuis (Waterstromen B.V.)

INNOVATIEVE TECHNIEK VOOR VERWIJDEREN STIKSTOF EN METHAAN UIT AFVALWATER Door twee biologische processen – partiële nitritatie-anammox (PNA) en denitrificatie gekoppeld aan anaerobe methaanoxidatie (DAMO) – te combineren, ontstaat een veelbelovende afvalwaterzuiveringstechniek om het energie­ verbruik en de CO2-uitstoot verder te reduceren en tegelijkertijd het stikstofverwijderingsrendement te verhogen.

Verwijdering van stikstofverbindingen uit afvalwater kost veel energie. Tegelijkertijd bevat afvalwater energie. In het afgelopen decennium was er veel aandacht voor het terugwinnen van biogas uit afvalwater om de energie-efficiëntie van het zuiveringsproces te verbeteren en de klimaatvoetafdruk te verkleinen. Het effluent van de anaerobe processen die het ­biogas produceren bevat ammonium en opgelost methaan, een sterk broeikasgas.

Met zogeheten DAMO micro-organismen (Figuur 1) is het mogelijk om opgelost methaan te verwijderen uit afvalwaterstromen. Deze micro-organismen hebben geen zuurstof nodig en verwijderen tegelijkertijd nitriet en nitraat. Een nieuwe biologische behandelingstechniek die partiële nitritatie-anammox (PNA) combineert met DAMO kan stikstofverwijdering goedkoper en duurzamer maken.

De ontwikkeling van de gecombineerde PNA/DAMO-techniek vindt nu nog plaats op ­laboratorium schaal (2-10L reactoren). De stap van lab- naar praktijkschaal is groot. Als eerste tussenstap zijn daarom modelmatig toepassingsmogelijkheden verkend op praktijkschaal door het uitwerken van twee business cases. Dit artikel beschrijft op hoofdlijnen de resultaten hiervan en beantwoordt de vraag wat de economische potentie is van de PNA/ DAMO-techniek.

De voordelen van PNA/DAMO PNA-systemen worden al met succes toegepast op praktijkschaal sinds 2002. Het PNA-­ proces levert 60% energiebesparing op ten opzichte van conventionele nitrificatie-denitrificatie omdat niet al het ammonium volledig hoeft te worden omgezet naar nitraat. Zuurstofloze micro-organismen produceren daarbij minder biomassa, waardoor de slibproductie lager is. Het PNA-systeem zet vrijwel al het stikstof om naar stikstofgas, maar 10% gaat naar nitraat. Met de PNA/DAMO-techniek kan een verdere efficiëntieslag gemaakt worden.

Het nitraat-afhankelijke DAMO-proces gebruikt het geproduceerde nitraat om methaan te verwijderen en levert daarbij nitriet op. Dit kan gebruikt worden in het anammox-proces, waardoor minder zuurstof nodig is voor de omzetting van ammonium naar nitriet, of in het nitriet-afhankelijke DAMO-proces voor verdere methaanverwijdering. Laboratoriumonder­ zoek laat zien dat in de PNA/DAMO-reactoren gelijktijdige verwijdering plaatsvindt van ammonium, nitriet, nitraat en methaan. Een stikstofverwijderingsrendement van meer dan 95% kan gehaald worden. Welke omzettingen er precies plaatsvinden is afhankelijk van de voedingsstoffen, gastoevoer, en soortenverhouding in de biomassa.

Uitwerking van twee business cases Het model met de biologische reacties (Figuur 1) is gebruikt om de economische potentie van gelijktijdige stikstof- en methaanverwijdering te verkennen voor twee afvalwater­

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

37

Figuur 1. De biologische reacties in de PNA/DAMO-techniek. Rechts: foto (fluorescentiemicroscoop) van biomassasamenstelling in een van de lab-reactoren na 9,5 maanden minimale zuurstoftoediening.

Fluorescent gelabeld in rood: nitraat-afhankelijke DAMO; groen: nitriet-afhankelijke DAMO; blauw: anammox (schaal: 20μm).

Foto door Karin Stultiens-RU

zuiveringsinstallaties. Op basis van de procesgegevens en afvalwatersamenstelling van deze locaties zijn business cases uitgewerkt. Er is gekeken naar toepassingsmogelijkheden voor de behandeling van effluentstromen van twee biogas producerende systemen: 1. Rejectiewater van de slibontwatering na ­anaerobe slibgisting op een rioolwaterzuiveringsinstallatie (RWZI).

2. Industrieel afvalwater (IWZI) na anaerobe afbraak van opgeloste organische stoffen in een UASB-reactor (Upflow Anaerobic Sludge Bed). In het huidige zuiveringsproces vindt hierna fosfaatverwijdering plaats in een beluchte reactor, gevolgd door stikstofverwijdering (PNA).

Omdat waterzuiveringsinstallaties geen methaan metingen doen in de waterfase, zijn op beide locaties monsters genomen om concentraties opgelost methaan te bepalen. Hieruit blijkt dat het opgeloste methaan na biogasproductie (~20 mg/L) voor ruim 95% verdwenen is in de volgende processtap. Op de RWZI wordt methaan gestript tijdens slibontwatering.

Op de IWZI kan daarnaast verwijdering door aerobe methaanoxidatie plaatsvinden tijdens de fosfaat­ verwijdering.

Om de efficiëntie van de PNA/DAMO-techniek te kunnen beoordelen, is in het model uitgegaan van voldoende beschikbaar methaan om het in het PNA-­ proces gevormde nitraat te verwijderen. De technische aspecten van de methaantoediening (waar vandaan en hoe) en het voorkomen van methaan­verlies zijn hierbij niet meegenomen.

De prestatie van de PNA/DAMO-techniek is aan de hand van prestatie- en systeemparameters (stap 1, Tabel 1) vergeleken met dat van het PNA-systeem. In het economisch model (stap 2 en 3) zijn de prestatieverbeteringen omgerekend naar een netto jaarlijkse

APRIL 2019

kostenbesparing op basis van actuele prijzen. Door verdiscontering zijn toekomstige kostenbesparingen uitgedrukt in de netto contante waarde. Er is een positieve business case wanneer deze waarde hoger is dan de initiële investeringskosten. De investeringskosten van PNA/DAMO zijn bepaald aan de hand van de benodigde reactorvolumes. Uitgangspunt hierbij is een volumetrische stikstofbelasting van maximaal 2 kilogram per kubieke meter per dag. Toekomstige (prijs)scenario’s zijn uitgewerkt om de robuustheid van de resultaten te testen.

Hoger stikstofverwijderingsrendement met een lagere voetafdruk De resultaten van stap 1 (Tabel 2) laten zien dat PNA/ DAMO in beide business cases beter presteert dan PNA. Het stikstofverwijderingsrendement is ongeveer 10% hoger door de additionele verwijdering van nitraat. Dit maakt PNA/DAMO een aantrekkelijk systeem voor afvalwaterzuiveringsinstallaties die verdergaand NOx moeten verwijderen. Het energieverbruik voor beluchting ligt ongeveer 20% lager per kilogram verwijderde stikstof.

Omdat PNA/DAMO minder zuurstof nodig heeft, is ook de slibproductie per kilogram verwijderde stikstof lager. De business cases laten een potentiële ­reductie van de broeikasgasuitstoot zien van 145 (bij deels aerobe methaanoxidatie) tot 330 ton CO2-equivalenten per jaar (bij 100% methaan-stripping). Dit is het directe effect van minder methaanuitstoot en het indirecte effect van een lager energieverbruik. De stikstofbelasting van het rejectiewater op de RWZI is hoog genoeg om het opgeloste methaan te verwijderen.

Op de IWZI (lagere stikstofbelasting) wordt ruim een derde deel van het methaan verwijderd.

Economische potentie Voor beide locaties is er een positieve business case

Afvalwater: verwijderen stikstof en methaan

36

38

WATER MATTERS

Stap 1.

Procesprestatie 

Stap 2.

Jaarlijkse kostenbesparing

Prestatieparameters 1.Stikstofverwijderingsrendement 2.Energieconsumptie beluchting

Stap 3.

Economische potentie



Tabel 1. Aanpak en uitgangspunten in de business cases

(Prijs)Scenario’s Investeringskosten:

500-2500 euro/m3 reactorvolume

lage groeisnelheid. De zuurstof­ regulering en biomassaretentie zijn Jaarlijkse kostenbesparingen PNA/DAMO t.o.v. PNA: 4.Klimaatvoetafdruk* o Huidige prijzen daarom kritische factoren bij het Systeemparameters ­ontwerp van een PNA/DAMO-syso Wijziging lozingsgheffing van RWZI IWZI Kjeldahl-N (huidig) -> N-totaal + teem. Een goede zuurstofreguleNH4 -N belasting 465 730 (kg/dag) ring is daarnaast belangrijk om o CO2-prijzen: CH4 verwijderd uit 15 17,5 5 (huidig) - 300 euro/ton overproductie van nitriet en comPNA/DAMO-systeem (kg/dag) petitie met snelgroeiende aerobe Debiet (m3/dag) 500 2900 Periode: RWZI 20 jaar/IWZI 10 jaar micro-organismen te voorkomen.

3 Reactorvolume (m ) 280 600 Discontovoet: 2-6% De denitrificatieprocessen in de HRT (uur) 14 5 PNA/DAMO-techniek zijn niet *CO2-equivalenten: 1 kg CH4=30,5 kg CO2; 1 kWh=0,395 kg CO2 afhankelijk van organisch koolstof.

De organische stof kan dus vooraf efficiënt naar biogas omgezet worden. Dit voorkomt is voor PNA/DAMO tot investeringskosten rond de later competitie met heterotrofe denitrificeerders. €2000,- per kubieke meter reactorvolume (2% disDe slibkorreltechnologie biedt een oplossing voor contovoet) voor een groene weide situatie waarin nog deze uitdagingen en wordt succesvol toegepast in geen stikstof wordt verwijderd na biogasproductie. De PNA-systemen. Uit labonderzoek blijkt dat biomassa PNA/DAMO-techniek levert, ondanks de hogere proin het PNA/DAMO-systeem ook als slibkorrels kan cesefficiëntie, onder het huidige prijsscenario geen groeien. concurrerende business case op ten opzichte van het Een andere uitdaging is de slechte oplosbaarheid reeds toegepaste PNA-systeem. van methaan. Een belangrijk inzicht bij de uitwerking Op dit moment ontbreekt de financiële stimulans om van de business cases was het verlies van opgelost methaanuitstoot te reduceren omdat deze niet gememethaan tussen de bemonsteringspunten in beide ten hoeft te worden en vanwege de lage CO2-prijzen afvalzuiveringsinstallaties. Eerder onderzoek naar op de Europese emissiehandelsmarkt . Ook worden methaanuitstoot van een RWZI laat zien dat ongenitriet- en nitraatlozingen op dit moment niet mee­ veer 75% van de totale CO2-uitstoot plaatsvindt in de genomen in de zuiveringsheffing. In de business cases is getest wat het effect is van de stijging van sliblijn. Er is veel winst te behalen door het reduceren CO2-prijzen en een wijziging in de zuiveringsheffing van de methaanuitstoot tijdens het zuiveringsproces, bijvoorbeeld door het afdekken van reactoren en het voor stikstoflozing. opvangen van afgassen.

Bij een CO2-emissieprijs van €150,- per ton worden Het gebruik van methaan voor PNA/DAMO levert in in beide cases de investeringskosten terugverdiend beide business cases jaarlijks een directe reductie tot een investering van €500,- per kubieke meter van methaanuitstoot van 300 ton CO2-equivalenten. reactorvolume (2% discontovoet). Het effect van stikstofheffing heeft een gelijksoortig resultaat. Wanneer Daarnaast is het een efficiënte denitrificatiestap met beide wijzigingen meegenomen worden, is er tot een voor beide locaties samen een jaarlijkse besparing investering van €800,- per kubieke meter reactor­ van 60 MWh aan beluchtingskosten. Beluchting moet volume een positieve business case. zorgvuldig toegepast worden om methaan-stripping te voorkomen. Mogelijke reactor systeemontwerpen Aandachtspunten voor toepassing en de toepasbaarheid ervan moeten nader onderEr is een aantal uitdagingen voor de toepassing zocht worden. van PNA/DAMO. Deels zijn deze gelijk als die bij De uitstoot van lachgas is niet meegenomen. Het de ontwikkeling van PNA. Een kleine hoeveelheid DAMO-proces zelf produceert geen lachgas, maar zuurstof is nodig voor nitritatie. Anammox en DAMO andere biologische processen die mogelijk in het syszijn ­anaerobe micro-organismen met een relatief teem plaatsvinden kunnen dit wel. Onderzoek moet 3.Slibproductie

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Prestatieparameters

Stikstofverwijderingsrendement (%)

Energieconsumptie beluchting (kWh/kg N verwijderd) Slibproductie (kg/kg N verwijderd) Klimaatvoetafdruk (door directe methaanuitstoot en elektriciteitsverbruik; in ton CO2-equivalenten) 1 2

Techniek Locatie

PNA

PNA/DAMO

RWZI

80,5

90,9

IWZI

77,8

88,2

RWZI

1,2

1,0

IWZI

2,2

1,7

RWZI

0,1

0,095

IWZI

0,1

0,095

RWZI IWZI

1811 8371 2122

661 6221 1822

100% strippen van methaan indien niet verwijderd via DAMO. 100% aerobe methaanoxidatie indien niet verwijderd door DAMO.

uitwijzen hoeveel lachgasproductie plaatsvindt in een reële afvalwateropstelling.

Toekomstperspectief Een technologie die vanuit investeringsoogpunt niet interessant is kan dat in de toekomst wel zijn. Niet alleen in economisch opzicht, maar ook vanwege wijzigingen in wet- en regelgeving rondom milieu­ beheer. Op dit moment vindt een herziening plaats van de waterschapsbelastingen, waaronder de ­zuiveringsheffing. Nitriet en nitraat zijn hierin nog niet meegenomen. Deze stoffen zijn wel opgenomen in de herziene heffingsformule. Dit kan gevolgen hebben voor afvalwaterzuiveringsinstallaties.

Daarnaast is er een groeiend bewustzijn over de daadwerkelijke bijdrage van methaan aan het broeikaseffect. Methaan is geen onderdeel van het Europese emissiehandelssysteem en industrieën hoeven hun methaanuitstoot niet te registreren. Dit kan in de nabije toekomst veranderen. Steeds meer landen en regio's introduceren een vorm van CO2-beprijzing of belasting en het is te verwachten dat wetgeving strenger wordt om milieu- en klimaatdoelstellingen te halen. De hoge CO2-prijzen die in deze business cases zijn getest kunnen de komende tien tot twintig jaar realistisch worden. De gecombineerde ­PNA/ DAMO-techniek heeft in de geteste scenario’s economische potentie en is daarmee een toekomstbestendige techniek.

Monique Slegers, Francisca Maalcke-Luesken, Mike Jetten (Radboud Universiteit-Microbiologie), Tim Hendrickx, Carla Frijters (Paques BV), Richard Haarhuis (Waterstromen B.V.)

APRIL 2019

39

Tabel 2. Theoretische procesprestaties van PNA en PNA/DAMO in beide business cases

Speciale dank: E.Marsman/D.Piron/ H.v.Zuijlen (Waterschap Rivierenland), C. Uijterlinde (STOWA), M.v.Loosdrecht (TU Delft), J.Knoben/P.Geurtsen (RU-Bedrijfseconomie). Financiering: ERC-PoC(713533) & SIAM (NWO-Zwaartekracht 024.002.002).

Referenties Aalbers, R, Renes, G, Romijn, G (2016). WLO-klimaatscenario’s en de waardering van CO2-uitstoot in MKBA's. Centraal Plan­ bureau, Den Haag.

STOWA (2016) Reductie van methaanemissie in de afvalwateren slibketen. STOWA 2016-09.

Kartal, B, Kuenen, JG, Van Loosdrecht, MCM (2010) Sewage treatment with anammox. Science 328 (5979), pp.702-703.

Van Kessel, MAHJ, Stultiens, K, Slegers, MFW, Guerrero Cruz, S, Jetten, MSM, Kartal, B, Op den Camp, HJM (2018) Current perspectives on the application of N-damo and anammox in wastewater treatment. Current Opinion in Biotechnology 50, pp.222-227.

SAMENVATTING Het effluent van anaerobe processen waarin biogas geproduceerd wordt bevat ammonium en opgelost methaan, een sterk broeikasgas. Een nieuwe biologische afvalwaterbehandelingstechniek voor dit ­effluent die twee biologische processen combineert – partiële nitritatie-anammox (PNA) en denitrificatie gekoppeld aan anaerobe methaanoxidatie (DAMO) – is een veelbelovende techniek om het energieverbruik en de CO2-uitstoot verder te reduceren en tegelijkertijd het stikstofverwijderingsrendement te verhogen. In twee business cases is een aantal ­(­prijs)scenario’s doorgerekend om de economische potentie van PNA/DAMO te verkennen. Er is economische potentie wanneer strengere stikstofnormen gehanteerd worden of CO2-prijzen stijgen.

Afvalwater: verwijderen stikstof en methaan

Het kennismagazine Water Matters van H2O is een initiatief van Koninklijk Nederlands Waternetwerk Onafhankelijk kennis(sen)netwerk voor en door Nederlandse water­ professionals.

Water Matters wordt mogelijk gemaakt door ARCADIS Wereldwijd opererende ontwerp- en adviesorganisatie op het gebied van de natuurlijke en gebouwde omgeving die duurzame resultaten levert door de toepassing van ontwerp, advisering, engineering, project- en managementdiensten.

Deltares Onafhankelijk kennisinstituut op het gebied van water, ondergrond en infrastructuur. Wereldwijd wordt gewerkt aan slimme innovaties, oplossingen en toepassingen voor mens, milieu en maatschappij.

KWR Watercycle Research Institute Instituut voor toegepast wetenschappelijk wateronderzoek dat kennis genereert en samenbrengt voor innovaties in en optimaal beheer van de waterketen.

Royal HaskoningDHV Onafhankelijk internationaal advies-, ingenieurs- en projectmanagementbureau, dat samen met klanten en partners een bijdrage levert aan een duurzame samenleving.

Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) Kenniscentrum van regionale waterbeheerders in N ­ ederland, dat zorgt voor het ontwikkelen, bijeenbrengen, delen en implementeren van kennis die nodig is om de opgaven waar waterbeheerders voor staan, goed uit te voeren.

Netherlands Water Partnership (NWP) Netwerk ter ondersteuning van de watersector bij export en internationale samenwerking. 200 organisaties (profit en non-profit) hebben zich erbij aangesloten.

Wageningen Environmental Research (Alterra) Onderzoeksinstituut dat door onafhankelijk onderzoek bijdraagt aan het realiseren van een kwalitatief hoogwaardige en duurzame groene leefomgeving.