Publicaties
Kan onderwaterdrainage het veenweidegebied redden?
L.C.P.M. Stuyt
Raadgevend adviseur, https://fource-now.com
P.J.T. van Bakel
Raadgevend adviseur, https://www.debakelsestroom.nl
Abstract
In Dutch peat soils, structural reduction of CO2 emissions and soil subsidence has high priority. Moving ditch water to soil profiles through submerged drain tiles was considered the best technology to reverse these harmful trends. Previous experiences with this subirrigation technology were mixed, yet largely poor when applied in peat soils. Nevertheless, the associated concerns of scientists were taken for granted. After several years, effects on CO2 emissions and soil subsidence have not materialized while the technology is expensive, requires regular maintenance and prone to failure. The initial euphoria is waning. In an attempt to improve the technology pumped devices were introduced. An obvious move, unfortunately making the technology unaffordable while not solving technical issues like maintenance and the risk of failure. Alarmingly, no problem holder is designated for this. A way out could be to oblige contractors installing the systems to guarantee their proper functioning, up to five years after installation.
Onderwaterdrainage: een vondst
Beweiding hoort bij het Hollandse veenweidelandschap. De hiervoor vereiste drooglegging houdt echter al eeuwen een eindige vicieuze cirkel in stand: veenafbraak leidt tot maaivelddaling, resulterend in onvoldoende drooglegging, waardoor peilverlaging noodzakelijk is die weer leidt tot veenafbraak, enzovoort (Mulder, 2021). Naast maaivelddaling veroorzaakt veenafbraak uitspoeling van nutriënten en uitstoot van CO2. De stapel adviesrapporten om dit probleem aan te pakken groeide lange tijd gestaag, maar leidde niet tot een game changer.
Maar toen was daar de onderwaterdrainage (OWD): een vondst, zo lijkt het. Een beproefde, betrouwbare en succesvolle techniek, nu innovatief toegepast, want onder water. Een duurzame, betaalbare oplossing voor een wijdverbreid, weerbarstig probleem. Wie kan daar bezwaar tegen hebben? Wij Nederlanders staan wereldwijd aan de wieg van de landbouwdrainage, zowel in theorie als praktijk. We zijn decennialang gidsland geweest en terecht. We hebben sinds WWII een schat aan ervaring opgedaan. Onze kennis, kunde en systemen op alle continenten uitgerold en daarmee respect afgedwongen.
Succes verzekerd, was de opvatting: we kunnen met een gerust hart onze veenweiden uitrusten met OWD want we verwachten dat die goed zal werken en dat ook lang zal blijven doen.
Modelberekeningen
Met modelsimulaties zijn effecten van OWD op grondwaterstanden nagebootst en vertaald in een afname van de veenafbraak en verminderde wateroverlast voor de landbouw (Van den Akker et al., 2007). De resultaten waren veelbelovend, evenals veldproeven in de Krimpenerwaard, al werden die tijdens twee natte zomers gedaan (Van den Akker et al., 2013). De geclaimde, gunstige effecten op veenweiden waren tweeërlei. ‘s Zomers hogere grondwaterstanden, waardoor terugdringen van emissies en bodemdaling. ’s Winters lageregrondwaterstanden: prima voor de boeren en dus voor het benodigde draagvlak. Geen wonder dat OWD door beleidsmakers dankbaar werd omarmd en de subsidiekraan werd opengedraaid.
Bij de veelbelovende resultaten van de modelberekeningen zijn wel kanttekeningen te maken. In de modellen wordt de werking van de OWD te rooskleurig voorgesteld door deze als ‘ideale drains’ te programmeren. Ideale drains wisselen moeiteloos water uit met hun directe omgeving: vanuit de grond de buis in (drainage) en omgekeerd (infiltratie). Ze zijn fictie, want bestaan alleen in de drainagetheorie en in rekenmodellen. In werkelijkheid neemt de weerstand die grondwater ondervindt bij de beweging van en naar draineerbuizen al snel na installatie toe. Gevolg: de werking van de drainage loopt geleidelijk terug, en komt – om meerdere redenen – niet zelden tot stilstand. Als de werking van OWD achteruitgaat zullen emissies en bodemdaling weer op het oude niveau verder gaan, zonder dat dit actief wordt gemonitord en dus wordt opgemerkt.
Risico’s en tegenvallende resultaten
De aanleg van OWD op slappe veengrond is ook nog eens problematisch. Het is onvermijdelijk dat de systemen in veengrond onder natte omstandigheden worden aangelegd, maar dit wordt door drainagedeskundigen ten sterkste afgeraden omdat hierdoor het risico op storingen en slecht functioneren van de systemen sterk wordt vergroot. Gelukkig zijn daarom in 2021 gedetailleerde en eenduidige installatierichtlijnen vastgesteld (KIWA, 2021). Maar zelfs na installatie conform deze richtlijnen is een goede werking niet gegarandeerd. Veel voorkomende storingen die niet in de rekenmodellen zijn verdisconteerd, zijn (Stuyt (1992); Van Bakel en Stuyt (2022):
- optreden van luchtsloten door verzakking van drains (slappe ondergrond);
- blokkade van de uitstroomopening (die onder water uitkomt en dus niet zichtbaar is);
- verstopping van drains door met het infiltratiewater meekomende verontreinigingen;
- afzetting van ondoorlatend slijm en ijzer door bacteriën en inspoeling van zand; de onderliggende processen zijn allang bekend (Stuyt, 1992) maar ‘vergeten’;
- blokkades door Amerikaanse rivierkreeften die in de buizen een ideale ‘shelter’ hebben gevonden en in ons land inmiddels een ware plaag zijn geworden.
Van den Akker et al. (2013) deden, na observatie van haperende OWD’s aanbevelingen voor nader onderzoek naar mogelijke oorzaken van storingen, waaronder te lange drains, te kleine buisdiameters, vlakligging, luchtsloten etc. De OWD-‘kranen’ die het slootwater de grond in moeten brengen om CO2-emissie en bodemdaling terug te dringen verdwijnen wegens wegzakkende sloottaluds geleidelijk en ongemerkt uit het zicht. Letterlijk en figuurlijk. Vaak is de teruglopende werking van OWD te wijten aan achterstallig onderhoud. De meeste stoppen er uiteindelijk mee, maar niemand die het (op)merkt. Dat is verklaarbaar, want er is geen probleemhouder aangewezen. ‘Niemand’ is verantwoordelijk als het fout gaat; een structureel Nederlands probleem (Van Bakel en Stuyt, 2022). Er zijn immers steeds weer genoeg nieuwe ‘opwindende’ problemen die aandacht vragen.
De levensduur van drainage is 30 jaar, althans volgens Wageningen UR (2021). Op deze optimistische stelling valt het nodige af te dingen. De levensduur hangt op een complexe manier samen met het ontwerp, de gebruikte materialen, de installatieomstandigheden, het bodemtype, de mate van onderhoud, complexe bodemprocessen en dergelijke. Een voorspelling doen is onmogelijk: er zijn te veel vrijheidsgraden met onbekende invloed en er is sprake van complexe interacties. Een levensduur 30 jaar is incidenteel aangetoond voor systemen waarmee alleen gedraineerd wordt. Over de levensduur van OWD in veenweiden geen informatie beschikbaar. De systemen bestaan nog te kort; specificatie van de levensduur van OWD hoort daarom thuis in de categorie wensdenken en is misleidend.
Hoe beoordeel je trouwens de werking van een drainage die permanent onder de sloot- en grondwaterspiegel ligt? Dat is complex en duur. Veel systemen kunnen al enkele jaren na aanleg niet eens worden teruggevonden, laat staan dat ze op hun werking kunnen worden onderzocht. Het ontbreken van een toetsingskader voor het beoordelen van OWD op gemeten infiltratie (mm/dag) bewijst dat niemand zich hier kennelijk druk over maakt. Sinds 2021 kan de infiltrerende werking van OWD overigens nauwkeurig worden gemeten, tenminste, als de onder water liggende drainuitmondingen kunnen worden opgespoord. En dat is niet vanzelfsprekend, zo leert de ervaring. De resultaten zijn zorgwekkend (Stuyt, 2022).
Euforie tanende
De euforie rond OWD in veenweiden is inmiddels tanende. De installaties zijn duur en de operationele problemen stapelen zich op. (Pompgestuurde) OWD, toegepast in veenweiden, is een storingsgevoelig en onderhoudbehoeftig systeem dat voortdurend aandacht vereist (van Kempen, 2022). Geen verassing dat ook met pompgestuurde OWD door HDSR (Stichtse Rijnlanden) geboekte resultaten tegenvallen. Ook deze volgens de bedenkers ‘technische verfijning’ van OWD levert nauwelijks voordelen voor agrariërs die nota bene zelf hun OWD’s, – ‘een kostbaar systeem (€5000/ha) dat veel stroom gebruikt’, aldus HDSR – moeten onderhouden. Dat is echter specialistisch werk, nog afgezien van het feit dat het vaststellen van de onvermijdelijke storingen door verzakkingen, verstoppingen en luchtsloten in de praktijk onbegonnen werk is. De kwalificatie ‘drukdrainage is de perfecte technische oplossing’ (Wetterskip Fryslân) (van Kempen, 2022) getuigt daarom van weinig realiteitszin. Bij gunning van dit soort toepassingen van drainage zou voor de aannemers van het werk (de ‘draineurs’) een langjarige onderhoudsplicht moeten gelden.
Gegeven het bovenstaande rijst de vraag: kan OWD, de ‘kraan’ voor vernatting van veenweiden met slootwater, de op grond van modelresultaten gerezen verwachtingen waarmaken? Donkere wolken trekken anno 2022 samen boven het OWD-dossier; gegeven het bovenstaande geen verrassing. Het geleidelijk verdwijnen van drainagekennis die de afgelopen decennia is ontwikkeld begint zijn tol te eisen.
Verdwenen drainagekennis
Een belangrijke factor op dit dossier is de rise and fall van de kennisontwikkeling van landbouwdrainage in ons land. De ontwikkeling van theoretische kennis en veldexpertise piekte rond 1955-1980 en werd aangewakkerd door de naoorlogse focus op verhoging van de landbouwproductie (Stuyt, 2013). In deze periode werd onze essentiële veldexpertise rond drainagetechnologie (materialen, machines) ontwikkeld. Het ministerie van LNV faciliteerde deze kennisontwikkeling met de onderzoeksinstituten ICW en ILRI, de consulentschappen, de Drainage Studie Groep (DSG) en de Drainage Contact Groep (DCG). Deze instituties zijn verzelfstandigd waarna de operationele veldervaring en drainage expertise geleidelijk verdween, simpelweg omdat het commercieel gezien niet interessant was om in stand te houden. Dit kennisveld werd door de overheid verwaarloosd.
Met het beschikbaar komen van computers rond 1980 winnen de ‘screen hydrologists’ geleidelijk steeds meer terrein en verlegt de aandacht zich op waterkwaliteit. En rond de eeuwwisseling wordt onderwaterdrainage (OWD) geïntroduceerd, maar alleen op zandige bodemprofielen en bedoeld voor infiltratie tijdens droge perioden (Stuyt, 1998). In 2006 doet ‘gecontroleerde drainage’ zijn intrede en wordt deze op zijn merites beoordeeld in grootschalige, door de overheid gefinancierde veldexperimenten die duurden tot 2015.
Het is geen verrassing dat de tot 1980 ontwikkelde veldexpertise rond drainage veertig jaar later nagenoeg is verdwenen. Een verontrustend gevolg is wel dat het propageren van infiltratie van slootwater met OWD op slappe ondergronden als ‘iets nieuws’ niet zonder risico is. Zeker omdat het advies deze stap te zetten gebaseerd is op modelsimulaties, zonder weging van operationele risico’s. In ons land zijn met dit soort systemen slechte ervaringen opgedaan, en die zijn de afgelopen decennia omstandig gerapporteerd (Van Bakel en Stuyt, 2022).
Er gaapt dus een kloof tussen theorie, modellering en praktijk, en die verbreedt zich omdat veldervaring, essentieel voor het in stand houden van expertise, in snel tempo verdwijnt. Bezorgde signalen worden genegeerd en als irrelevant en/of lastig terzijde geschoven (Van der Gaast, 2019; Radboud Universiteit, 2021). De signalen over technische problemen met OWD in veenweidegebieden houden intussen aan.
Hoe is deze situatie te verklaren?
Het beloofde land is toch minder mooi dan we dachten. Maar worden deze signalen door de pleitbezorgers en belanghebbenden wel ter harte genomen? En komen deze signalen bij bestuurders terecht? Niet of nauwelijks, zo is onze indruk. Volgens ons is de verklaring ongeveer als volgt.
Beleidsmakers zijn geneigd hun plannen te baseren op een best case scenario, vaak tegen beter weten in. Want ook bij veenweideinfiltratie geldt kennelijk het adagium Never ruin a good story with facts. Er is immers sprake van bedrieglijk optimisme: optimism bias: ‘drukdrainage is de perfecte technische oplossing’. Het is hun theoretische werkelijkheid, maar een fictieve ‘werkelijkheid’, niet zonder gevolgen. Zij – en de hen ondersteunende deskundigen – ontlenen (een deel van) hun status aan op duurzaamheid of op klimaatadaptatie goed scorende projecten. Ze zijn sterk gemotiveerd om ‘de wereld te verbeteren’. Deze vorm van wensdenken leidt tot selectief waarnemen.
Maar ook onderzoekers is niets menselijks vreemd. De verschuiving van inputfinanciering naar ‘wetenschap op bestelling’ (KNAW, 2005) leidt ertoe dat onderzoeksresultaten die de financiering in gevaar brengen soms niet de aandacht krijgen die ze verdienen.
Hoe nu verder?
Wij pleiten voor een moratorium op de aanleg van (gepompte) OWD in veenweidegebieden. De signalen dat OWD een kwetsbaar systeem is dienen eerst serieus te worden onderzocht zodat voor de toekomst kan worden gesteld: ja, het is een kwetsbaar systeem, maar onder die en die voorwaarden is een goede werking waarschijnlijk en kan het een bijdrage leveren aan de oplossing van het veenweidevraagstuk. Of nee, want de kans op een desinvestering blijft ook bij zorgvuldige aanleg en goed onderhoud te groot. Maar niets is uit te sluiten, dus ook niet dat onze kennis voor keuzes in het veenweidegebied (Woestenburg, 2009) anno 2022 ontoereikend is. De ‘service life’ van nieuwe OWD’s kan worden verlengd door gunning van gesubsidieerde werken te koppelen aan een onderhoudsplicht van (bijvoorbeeld) vijf jaar.
Referenties
Akker, J.J.H. van den, R.F.A. Hendriks, I.E. Hoving, B. Meerkerk, K. van Houwelingen, J. van Kleef, M. Pleijter & A. van den Toorn (2013). Pilot onderwaterdrains Krimpenerwaard. Alterra Rapport 2466, Wageningen https://edepot.wur.nl/280068
Akker, J.J.H. van den, R.F.A. Hendriks & J.R. Mulder (2007). Invloed van infiltratiewater op de afbraak van veengrond.Alterra-rapport 1597.
Bakel, P.J.T. van & L.C.P.M. Stuyt (2022). Gecontroleerde buisdrainage in regionale modellen: theorie, modellering en de kloof met de veldsituatie. In: Stroming (2022)1: 73-89.
Fritz, C., S. Weideveld, M. Velthuis & M. van den Berg (2021). Broeikasgasuitstoot van Friese veenbodems. Kunnen onderwaterdrainage en infiltratie aan een duurzame emissiereductie bijdragen? Technische rapportage: Project ‘Monitoring veenoxidatiesnelheden en broeikasgasemissies PF- 2016/165140, 8 mei 2021, Radboud Universiteit, Nijmegen.
Gaast, J.W.J. van der (2019). Veenweiden niet te redden met onderwaterdrainage. V-focus: 28-31.
Hoving I.E., A., J.J.H. van den Akker, H.T.L. Massop, G.J. Holshof & K. van Houwelingen (2018). Precisiewatermanagement met pompgestuurde onderwaterdrains op veenweidegrond. Wageningen Livestock Research, Rapport 1123.
Hoving I.E., J.W. van Riel, H.T.L. Massop, R.F.A. Hendriks, J.J.H. van den Akker & K. van Houwelingen (2021). Precisiewatermanagement met pompgestuurde onderwaterdrains op veenweidegrond. Rapportage onderzoeksperiode 2016-2020. Wageningen Livestock Research, Rapport 1293.
H2O Actueel (2018). ‘Onderwaterdrains wel effectief in veenweidegebied’. H2O Actueel, 17 december 2018. https://www.h2owaternetwerk.nl/h2o-actueel/onderwaterdrains-wel-effectief-in-veenweidegebied
H2O Actueel (2022). Onderzoek: drukdrains helpen om daling veenweide tegen te gaan. H2O Actueel, 24 februari 2022. https://www.h2owaternetwerk.nl/h2o-actueel/onderzoek-drukdrains-helpen-daling-veenweide-tegen-te-gaan
Kempen, P. van (2022). Drukdrains: slim sturen in het veenweidegebied. In: H2O Premium, 30 april 2022. https://www.h2owaternetwerk.nl/h2opremium/slim-sturen-in-het-veenweidegebied
KIWA (2021). Beoordelingsrichtlijn voor het KOMO procescertificaat voor het ontwerpen, de aanleg en nazorg van buisdrainage en veenweideinfiltratie. BRL1411 2021-08-04. KIWA, Rijswijk. https://www.kiwa.com/4a2ca7/contentassets/1202616e590b4374a19b2a081c2bb1b7/brl1411-aanvaard_2021-07-142.pdf
KNAW-werkgroep opdrachtonderzoek (2005). Wetenschap op bestelling. Over de omgang tussen wetenschappelijke onderzoekers en hun opdrachtgevers. KNAW, Amsterdam.
Mulder, J. (2021). Duizend jaar cultuurhistorie van het westelijke veenweidegebied: waar moet het heen met het veen? In: Stromingen 28.
Radboud Universiteit (2021). Kunnen onderwaterdrainage en infiltratie aan een duurzame emissiereductie bijdragen?Technische rapportage project ‘Monitoring veenoxidatiesnelheden en broeikasemissies PF 2016/165140, Nijmegen
Stuyt, L.C.P.M. (1992). The water acceptance of wrapped subsurface drains. Proefschrift Landbouwuniversiteit, Wageningen. https://edepot.wur.nl/201279
Stuyt, L.C.P.M. (1998). Schade aan onderlopende buisdrainage. Literatuurstudie – State-of- the-Art – Onderzoeksvoorstel. DLO-Staring Centrum, Wageningen.
Stuyt, L.C.P.M. (2013). Regelbare drainage als schakel in toekomstbestendig waterbeheer. STOWA Rapport 18, Alterra rapport 2317. https://edepot.wur.nl/258341
Stuyt, L.C.P.M. (2022). https://fource-now.com/projecten/
Wageningen UR (2021). KWIN 2021-2022. Kwantitatieve Informatie Veehouderij. Handboek 45.
https://www.wur.nl/nl/product/Handboek-Kwantitatieve-Informatie-Veehouderij-KWIN.htm
Waterforum Redactie (2021). Onderzoek in Friesland: onderwaterdrainage leidt niet tot minder CO2-uitstoot in veengebieden. 24 september 2021 https://www.waterforum.net/onderzoek-in-friesland-onderwaterdrainage-leidt-niet-tot-minder-co2-uitstoot-in-veengebieden/
Woestenburg, M. (2009). Waarheen met het veen. Kennis voor keuzes in het westelijk veenweidegebied. Uitgeverij Landwerk.
Download bovenstaand artikel via deze link als pdf-bestand.
Onderzoek onderwaterdrainage Berend Jan Kronenberg
Eerste meting: zaterdag 26 maart 2022
Tweede meting: woensdag 18 mei 2022
L C P M Stuyt, 23 mei 2022
Tijdens het eerste veldbezoek (26 maart 2022) zijn de volgende observaties gedaan
- De geschatte perceelsoppervlakte is 600 x 35 m2 = 21000 m2 = 2,1 ha.
- Er was zichtbare waterstroming door perceelsloot; gemakkelijk waarneembaar door beweging van drijvend organisch materiaal. Gegeven het feit dat het de afgelopen weken droog is gebleven moet dit afvoer van kwelwater zijn: bij deze percelen een bekend verschijnsel.
- Het vermoeden van kwel wordt bevestigd door infraroodopnames van het sloottalud, gemaakt met een FLIR E75 warmtebeeldcamera (https://www.warmtebeeldcamera.nl/nl/flir-e75.html). De dag van de opnames/metingen was het stralend weer; de zon scheen onbelemmerd op de sloottaluds die hierdoor snel werden opgewarmd. De onderste 30cm van dit talud bleek aanmerkelijk koeler dan de hoger gelegen delen: zie onderstaande figuur met – van boven naar beneden – opnames van de bovenste, middelste en onderste horizontale taludstrook.
Fotografische (links) en bijbehorende thermische beelden (rechts) van een ca. 3m breed stuk sloottalud, in de volle zon, grenzend aan het van onderwaterdrainage voorziene perceel van Dhr. B.J. Kronenberg te Zwartsluis.
De temperatuur varieert van 45 oC op de bovenste taludstrook (oranje) via 22,2 oC halverwege (rood) tot 16,6 oC onderin (blauw). Deze temperatuurverschillen die worden veroorzaakt door afkoeling ten gevolge van evapo(trans)piratie, duiden op via het talud naar de sloot uittredend kwelwater, gege-ven de lange voorafgaande droge periode.
De zon scheen op het moment van de opname nagenoeg loodrecht op het talud; daarom is het bovenste deel hiervan sterker opgewarmd dan het meer verafgelegen maaiveld.
4. Er bleken twee uitmondingen van verzameldrains te zijn; zij zijn hersteld en voorzien van tegen de taludwand gebouwde vlonders met afneembare gegalvaniseerde loopvlakken. Vooraf was niet duidelijk of er één of twee verzameldrains met uitmondingen waren. Beide ø125mm verzameldrains zijn met de EZ-FLO onderzocht.
Observaties en commentaar
26 maart 2022
- De stijghoogte van het water in de eindbuizen van de twee verzameldrains ten opzichte van het slootpeil is beperkt. Dat is opvallend, gegeven de op dit perceel geregistreerde grondwaterstanden, in combinatie met het fijnmazige netwerk van de aangelegde onderwaterdrainage, die ontworpen is op lage infiltratie- en drainageweerstanden. Kennelijk werkt het systeem niet conform verwachting.
- De dieptes van de hartlijnen van de eindbuizen ten opzichte van het slootpeil verschillen nogal: 19 en 31 cm. Dat is opvallend en onwenselijk: de mogelijkheid om onderwaterdrainage te gebruiken voor infiltratie verbetert doorgaans met de diepte van de eindbuis in het sloottalud. Zeker bij enorme drainlengtes tot 200 meter. Met de hydraulische stromingsweerstand in de buizen wordt bij het ontwerp doorgaans geen rekening gehouden. Daarnaast steken de uitmondingen nauwelijks buiten de taludwand uit. Hierdoor is de kans op instroom van grond verhoogd en zijn metingen/analyses (EZ-FLO) heel lastig.
- Verzameldrain West draineert ca. 7,2 m3 kwelwater per dag, gerekend over dit perceel 0,35 mm/dag. Deze schatting is overigens niet erg betrouwbaar wegens de geringe verschillen in stijghoogte bij het beïnvloeden van waterstroming door de verdronken eindbuizen.
- Een hoeveelheid van 0,35 mm/dag lijkt niet veel, maar dit water is op dit perceel verloren. De onderwaterdrainage verergert een situatie die het had moeten tegengaan. (Onbekend is overigens hoeveel kwelwater rechtstreeks via de omringende sloten wordt gedraineerd).
- Bij Verzameldrain West is de stijghoogterespons op tests met de EZ-FLO met de aanvoer van water (subirrigatie) en de afvoer van drainagewater conform verwachting, dat wil zeggen: eenduidig en geleidelijk.
- Verzameldrain Oost reageert anders op tests met de EZ-FLO op de aanvoer van water (subirrigatie) en de afvoer van drainagewater: de stijghoogte reageert onmiddellijk en schoksgewijs, als een gedempte slingerbeweging rondom het slootpeil. Hier lijkt vlakbij de uitmonding een blokkade te zitten: de respons in stijghoogte is die van een klein waterreservoir. Dit kan wijzen op luchtbellen en/ of beperkte interactie tussen deze verzameldrain en de erop aangesloten drains en/of de hier tegenaan liggende grond.
- De drainage- en infiltratieweerstand bij Verzameldrain West lijkt laag; dat zou betekenen dat een substantiële slootpeilverhoging in beginsel zou kunnen leiden tot een omkering van afvoer van kwel naar subirrigatie. Hiermee zou immers ook het proces van drainage van kwelstromen via perceelsloten kunnen worden gestopt.
- De EZ-FLO heeft een selectief waterfilter, ingebouwd om het gevoelige meetsysteem voor waterstroming (mechanische flowmeters) voor verstopping te behoeden. Tijdens de metingen bij Kronenberg raakte dit filter binnen één uur volledig verstopt (blokkade). Dit betekent dat het slootwater zeer veel gesuspendeerde, verstoppende deeltjes (bodemdeeltjes, colloïden en ander organisch materiaal etc.) bevat. Dit lijkt een structureel probleem, gegeven de intensiteit van de waterstroming in de perceelsloot. En dat is geen goed bericht als je wilt infiltreren, want er is een verhoogd risico op verstopping van de draineerbuizen.
- Het is relevant om – conform afspraak – na te gaan in hoeverre doorspuiten effect heeft op de respons van beide verzameldrains van de onderwaterdrainage. Het zou kunnen betekenen dat de ongewenste drainage van kwelwater erdoor wordt vergroot, maar ook dat subirrigatie gemakkelijker wordt.
- De drains zijn voorzien van speciaal gemaakte geperforeerde RVS kappen om ongedierte tegen te houden. Dat is een erg dure oplossing. Waarom is geen gebruik gemaakt van een aanzienlijk goedkopere, geperforeerde PVC-kap?
18 mei 2022
- De kweldruk lijkt sinds maart 2022 afgenomen; het slootpeil is marginaal verhoogd. Hierdoor infiltreert de ongewijzigde onderwaterdrainage rond Verzameldrain Oost gemakkelijker dan in maart 2022.
- Het goede nieuws is dat drainreinigen zin heeft; het infiltrerend vermogen van Verzameldrain West is na deze behandeling verbeterd.
- Minder goed (en oud) nieuws is dat onderwaterdrainage voor goed functioneren geregeld onderhoud vergt. Drainreinigen is bij veel complexe, met verzameldrains uitgeruste onderwaterdrainages in de praktijk moeilijk uitvoerbaar, en een dure operatie.
Klik hier om het pdf-bestand van bovenstaand artikel te downloaden.
Stromingen 2022-1 (Nederlandse Hydrologische Vereniging NHV)
Gecontroleerde buisdrainage in regionale modellen: theorie, modellering en de kloof met de veldsituatie
JAN VAN BAKEL[1] EN LODEWIJK STUYT[2]
[1] https://www.debakelsestroom.nl/
Het areaal gedraineerde landbouwgronden in Nederland is ruim 620.000 hectare. Conventionele buisdrainage leidt tot een aanzienlijke daling van de hoogste grondwaterstanden; gecontroleerde buisdrainage kan ook een verhoging van de laagste grondwaterstanden tot gevolg hebben. Het is dus van groot belang in regionale modellen (gecontroleerde) buisdrainage goed te modelleren. Door gebrek aan kennis van zowel de theorie als van geografische gegevens is dat lang niet altijd het geval. Aan de hand van de formule van Hooghoudt wordt dit nader onderbouwd. Ook gaapt er een koof tussen de theorie en de veldkennis, deels omdat de werking van drains onder water tot voor kort niet kon worden gemeten. Met de introductie van een innovatief meetinstrument, de EZ-FLO, kan dit wel. Het artikel eindigt met enige meetresultaten.
Inleiding
Nederlandse landbouwgronden worden al decennialang op grote schaal gedraineerd. Op basis van de landbouwmeitellingen 2010 en enige aanvullingen wordt de omvang van het gedraineerd areaal landbouwgrond in Nederland geschat op ruim 620.000 ha (Massop e.a., 2013). In 1977 was dit areaal circa 450.000 ha: in ruim 30 jaar een toename van 40%. Na 2010 is het gedraineerd areaal verder gegroeid.
Deze populariteit is verklaarbaar. Veel klei- en zavelgronden waren rond de eeuwwisseling al gedraineerd, in eerste instantie in het kader van ruilverkavelingen. Meer recent is op grasland de behoefte aan draagkrachtige grond toegenomen. Dit door de introductie van steeds zwaardere landbouwmachines en het vervroegde groeiseizoen als gevolg van klimaatverandering. En veenweidegebieden worden sinds enkele jaren grootschalig voorzien van onderwaterdrainage die vooral bedoeld is voor infiltratie in het zomerhalfjaar (‘subinfiltratie’) in een poging om de toenemende grondwaterstandsdalingen en de hieraan gekoppelde veenafbraak en CO2 emissies tegen te gaan (Van den Akker e.a., 2013).
Een drainage die conform ontwerpeisen functioneert beïnvloedt het grondwaterstandsverloop op het gedraineerde perceel en, in mindere mate, op aanliggende percelen. Vooral de grondwaterstanden in het winterhalfjaar worden sterk beïnvloed: gemiddeld een verlaging van 40 cm van de GHG. Ook het afvoergedrag verandert, want verkleining van de drainageweerstand betekent een snellere ontwatering van het bodemprofiel waardoor de afvoer sneller op neerslag zal reageren. Daar staat tegenover dat bij diepere grondwaterstanden meer berging in de grond aanwezig is zodat per saldo de piekafvoeren dalen (Massop e.a., 2017).
Gegeven de gestaag toenemende invloed van buisdrainage op de regionale hydrologie van zowel laag als hoog Nederland is het voor de implementatie van duurzaam waterbeheer essentieel om de hydrologische effecten ervan goed in beeld te hebben. Hiertoe worden regionale modellen als MIPWA en het landsdekkende LHM ingezet. De betrouwbaarheid van de hiermee geboekte resultaten staat of valt echter met het realiteitsgehalte waarmee de buisdrainagewerking gesimuleerd wordt. En dat is voor de auteurs van dit artikel, om meerdere redenen, een bron van zorg. Dit artikel begint met een korte beschrijving van de theorie van Hooghoudt voor grondwaterstroming naar drains. De besproken formules geven richting aan hoe drainage in een regionaal model zou moeten worden geconceptualiseerd en geparameteriseerd. De bestaande modelleringspraktijk wijkt hier echter behoorlijk van af. Aansluitend worden Nederlandse praktijkervaringen met drainage beschreven. Vergeleken met de theorie valt de werking in de praktijk om meerdere redenen tegen, zeker op de lange termijn. De reden is dat in een bodemprofiel een aantal processen een rol spelen die niet in modelsimulaties worden meegenomen, maar een goede werking van buisdrainage/infiltratie ondermijnen en in uiterste gevallen tenietdoen.
De theorie van Hooghoudt
De vergelijking van Hooghoudt (1940) voor stationaire grondwaterstroming naar drains luidt (Van Bakel, 2013); zie ook afbeelding 1 voor illustratie van de termen:
Waarbij
qd : afvoerintensiteit, afvoer per eenheid van oppervlak [m/d]
k1, k2 : horizontale verzadigde doorlatendheid van de grond boven, respectievelijk
beneden drainniveau [m/d]
d : dikte van de equivalentlaag, een functie van de natte omtrek u [m], van D2 [m]
en van L [m] (Cultuurtechnische Vereniging, 1988)
m0 : opbolling, de maximale hoogte van de freatische grondwaterstand boven
drainniveau [m]
D1 : gemiddelde dikte van de watervoerende laag boven drainniveau [m]
D2 : dikte van de watervoerende laag beneden drainniveau [m]
L : drainafstand [m]
r : draindiameter [m]
u : natte omtrek [m]
In de theorie van Hooghoudt wordt gerekend met ‘ideale’ drains; dat zijn echter ‘theoretische’ drains zonder intreeweerstand voor grondwaterstroming. Gebruik van ‘ideale’ drains spoort daarom niet met de praktijk; bij de berekening van drainafstanden moet rekening worden gehouden met de radiale- en intreeweerstanden. Childs en Young (1958) introduceerden hiertoe de ‘effectieve drainstraal’, Ref, waarin deze weerstanden zijn verdisconteerd:
Waarbij
Ref : effectieve drainstraal [m]
R0 : werkelijke drainstraal [m]
αe : intreeweerstand van drainbuis [-] (Dierickx, 1980)
De vergelijking voor Ref laat zien dat een echte drain met straal R0 in een berekening vervangen kan worden door een denkbeeldige ideale drain met kleinere straal; deze volgt uit de waarde van de dimensieloze intreeweerstand αe (Dierickx, 1980). Gebruik van Ref in plaats van een ‘ideale drain’ leidt vrijwel altijd tot kleinere drainafstanden bij gelijke werkelijke drainstraal.
De gemiddelde dikte van de watervoerende laag boven drainniveau, D1, is ongeveer gelijk aan 0,5m0, zodat de vergelijking overgaat in de meest gebruikelijke vorm:
De volgende opmerkingen zijn bij de theorie van belang:
- In de meeste situaties geldt k1 > k2, ook in zandgebieden, want gronden met een ondiepe weerstandbiedende laag, dat wil zeggenbinnen 1,5 m beneden maaiveld maar wel beneden drainniveau, zoals keileem, worden meer dan gemiddeld gedraineerd. En daar is het verband tussen afvoerintensiteit en opbolling dus niet-lineair, met een afnemende drainageweerstand bij toenemende afvoerintensiteit (Van Bakel, 2013).
- De ‘effectieve’ natte omtrek is niet constant. Het effect hiervan lijkt theoretisch gezien van belang, maar is – gegeven de geometrie van stromingspatronen vlakbij drains, door omhullingsmateriaal en de buiswand – in de praktijk nihil. Deze patronen komen tot stand via contacterosieprocessen op overgangen tussen grond, omhullingsmateriaal en buiswand onder hoge hydraulische gradiënten (Stuyt, 1992).
- De formule is afgeleid voor een stationaire situatie.
De vraag is hoe de gangbare regionale hydrologische modellen hiermee omgaan.
Conceptualisering en parameterisering van buisdrainage in regionale hydrologische modellen
In een regionaal ‘finite difference’ model zoals MODFLOW wordt het modelgebied in (doorgaans) vierkante grids (hierna: cellen) gediscretiseerd. Van elke gridcel is bekend of het wel of niet gedraineerd is. De drainafstand is vrijwel altijd kleiner dan de celafmeting; typische waarden voor de drainafstand en de cel zijn respectievelijk 10 en 25 m. Dit betekent dat we buisdrainage als een diffuus ontwateringsmiddel kunnen beschouwen: we hoeven niet exact de ligging van de drains aan te geven maar er is binnen de cel een ontwateringsmiddel aanwezig met een drainagebasis (ten opzichte van NAP) en een drainageweerstand (in dagen). We noemen deze ‘model’weerstand: celdrainageweerstand, ter onderscheid van de ‘reguliere’ drainageweerstand zoals die door formules van Hooghoudt en Ernst kan worden berekend.
De volgende ‘problemen’ doen zich voor.
De drainagebasis is slecht bekend
De drainagebasis kent in de Nederlandse praktijk drie configuraties: (1) de diepteligging van drainuitmondingen in sloottaluds die in een sloot ‘vrij’ boven de waterspiegel uitstromen; (2) de openwaterstand in een sloot waarin ‘verdronken’ drainuitmondingen onder de waterspiegel uitstromen, en (3) het in een regelput gehandhaafde open waterniveau bij samengestelde, gecontroleerde drainagesystemen. De meest voorkomende draindiepte ligt tussen 80 en 100 cm beneden het maaiveld, afhankelijk van bodemsoort en landgebruik (Massop e.a., 2013). Qua afschot zijn er twee opties. Bij conventionele, enkelvoudige drainages ‘volgt’ de draindiepte het maaiveld: de drains worden overal zo goed mogelijk even diep ten opzichte van het maaiveld geïnstalleerd. Bij gecontroleerde, samengestelde drainagesystemen met regelputten (circa 6,5 % van alle drainages) worden de drains horizontaal gelegd. In strijd met deze verschillen in ontwerp wordt in regionale modellen wat betreft de diepteligging van drains geen onderscheid gemaakt tussen conventionele en gecontroleerde drainage.
Het hanteren van de juiste drainagebasis in hydrologische modellen is ook om een andere reden minder eenvoudig dan het lijkt. Ten behoeve van correcte modellering van buisdrainage in het LHM is de diepteligging onlangs aanzienlijk aangepast omdat bleek dat de drainageniveaus aanzienlijk dieper kunnen liggen dan de ontwateringsbasis van het oppervlaktewatersysteem (Kroon e.a., 2017).
De celdrainageweerstand hangt af van de grondwaterstand
In regionale modellen wordt voor de drainageweerstand doorgaans één waarde genomen. In het gunstige geval is deze gebaseerd op een (stationair) drainagecriterium waarbij rekening wordt gehouden met de vormfactor (gedefinieerd als het verschil tussen gemiddelde grondwaterstand en ontwateringsbasis gedeeld door de opbolling). Als voorbeeld: het drainagecriterium voor grasland is: bij een afvoer van qd =7 mm/d is de ontwateringsdiepte 30 cm. Als de installatiediepte van de drainage 100 cm is, is de opbolling mo =70 cm en is de draingeweerstand mo/qd = 0,7/0,007=100 dagen (Massop e.a., 2013).
De gemiddelde grondwaterstand in de cel is lager dan de hoogste grondwaterstand: de vormfactor is kleiner dan 1, maar meestal onbekend. Dan moet de drainageweerstand kleiner zijn om dezelfde flux te genereren. Deze correctie wordt meestal niet doorgevoerd. Maar ook extreem lage waarden van 10 of 20 dagen worden door modelleurs gebruikt (Kramer, 2007).
Zoals hiervoor al is betoogd is het modelleren van een constante, grondwaterstandsonafhankelijke drainageweerstand in theoretisch opzicht niet juist en kan deze, zeker bij de veel voorkomende drainagefluxen van 2 mm/d, tot een aanzienlijke overschatting van de drainerende werking van de drains leiden.
De drainageweerstand is niet constant in de tijd
De werking van buisdrainagesystemen loop in de regel met de tijd terug, vooral die van onderwaterdrainages die worden gebruikt voor subinfiltratie. Volgens Wageningen-UR (2021) zijn ze na 30 jaar aan vervanging toe, maar de levensduur blijkt in de praktijk meestal aanzienlijk korter (Stowa, 2000). Al na verloop van enkele jaren kan de werking van drainage vaak sterk teruglopen door dichtslibben en/of chemische processen zoals afzetting van ijzer.
Dit betekent dat we bij de modellering niet mogen uitgaan van drainageweerstanden die golden bij het ontwerp, want dat leidt tot een systematische overschatting van de drainagewerking. Bij het modelonderzoek Nieuwe Drostendiep (Waterschap Vechtstromen, 2020) moest de werking van de buisdrainage aanzienlijk worden verslechterd om de modelresultaten beter in overeenstemming te brengen met de veldwaarnemingen.
De (sub)infiltratieweerstand wijkt af van de drainageweerstand
Als drains worden gebruikt om water te infiltreren (subinfiltratie) wordt in regionale modellen de subinfiltratieweerstand doorgaans hoger gesteld dan de drainageweerstand. In het Landelijk Hydrologisch Model (LHM) wordt zelfs aangenomen dat er geen infiltratie kan plaats vinden (J. Hunink, persoonlijke mededeling).
In theorie is de subinfiltratieweerstand inderdaad hoger dan de drainageweerstand omdat de opbolling negatief wordt en het doorstroomd pakket dus dunner wordt. Maar in hoeverre dit zo is, is sterk afhankelijk van de geohydrologische setting. Daarom mag niet voetstoots worden aangenomen dat de subinfiltratieweerstand hoger is dan de drainageweerstand, maar moet deze per geohydrologische situatie worden beoordeeld. ‘Default’ modelleren van een hogere subinfiltratieweerstand is theoretisch aanvechtbaar.
Meer nog dan bij drainagesystemen kan de werking van subinfiltratiesystemen in de loop van de tijd sterk teruglopen door verstopping van de buizen en aanliggende filters en grond. Dit kan al na één infiltratieseizoen gebeuren. De vraag is hoe hier als modelleur mee om te gaan.
De ligging van de drainage is slecht bekend
Bij de samenstelling van de Buisdrainagekaart 2012 (Massop e.a., 2013) is een toekenningsprotocol gehanteerd waarbij per landbouwperceel is bepaald of het perceel wel of niet is gedraineerd. Dit betekent dat de kans bestaat dat percelen wel als gedraineerd worden gemodelleerd terwijl ze dat niet zijn, en vice versa. Daarnaast zijn de plaatselijke draindiepte en -afstand meestal slecht bekend.
Met name bij het modelleren van de effecten van onderwaterdrainage in veenweidebieden kan de discrepantie tussen model en werkelijkheid groot zijn. Deze bevinding is niet nieuw. Volgens Van der Gaast (2019) wordt het meten van het effect van onderwaterdrainage in hoge mate beïnvloed door de wijze waarop de grondwaterstandsbuizen zijn geïnstalleerd. En verder concludeert hij: het hanteren van een te lage draingeweerstand in de modellen leidt ertoe dat er een te groot effect van onderwaterdrainage wordt berekend.
Gegeven bovenstaande aandachtspunten is de kans groot dat bij de modellering van (gecontroleerde) buisdrainage de werkelijkheid geweld wordt aangedaan. De vraag of de modelleurs hun leven moeten beteren moet met ‘ja’ worden beantwoord, omdat het relatief simpel is de modellering van (gecontroleerde) buisdrainage op de theorie aan te passen. Maar nog belangrijker is in hoeverre de theorie spoort met de praktijk.
De kloof met de veldsituatie
De kloof tussen theorie en praktijk kan worden toegeschreven aan het drainageontwerp (ontwerpcriteria, ontwerpfouten in subinfiltratiesystemen), de aanleg (installatieomstandigheden en de gevolgen) en de leeftijd van het drainagesysteem, vooral bij gebrek aan onderhoud.
Ontwerpcriteria
Van oudsher werd elk nieuw drainagesysteem in Nederland ontworpen op grond van een stationair drainagecriterium, te weten de toelaatbare opbolling van de grondwaterspiegel h (m) bij ontwerpafvoer q (mm/dag). Bij het gekozen drainagecriterium, een dosis-effectrelatie avant la lettre, werden drainafstanden en -dieptes berekend met de drainageformules van Hooghoudt en Ernst. Toepassen van ‘Hooghoudt’ en ‘Ernst’ was laagdrempelig (nomogrammen[1] beschikbaar; Beers (1979)) en vanzelfsprekend. Op weg naar de eeuwwisseling werden drainafstanden geleidelijk rigoureus verkleind (Naarding, 1998) en werden drainageformules geruisloos ‘vervangen’ door een mix van modelsimulaties en praktijkervaringen van draineerbedrijven: een trend die al gaande was, maar door klimaatverandering werd versneld.
[1] Een nomogram is een tweedimensionaal diagram waarop de waarde van een wiskundige functie bij benadering kan worden afgelezen zonder dat er een berekening aan te pas komt; men heeft enkel een potlood en een liniaal nodig.
Door de gelijktijdige verdringing van simpele, enkelvoudige drainages door complexe, gecontroleerde systemen liggen de tijden van eenduidige ontwerpcriteria inmiddels achter ons: drainages worden anno 2022 ontworpen door de draineur. Omdat de modellering van dosis-effectrelaties van drainage en subinfiltratie hiermee geen gelijke tred hield is de voorspellende waarde hiervan teruggelopen. Daar komt bij dat ramingen van drainage- en infiltratieweerstanden, in veldsituaties moeilijk te meten, in de modellen meestal te optimistisch zijn. Anders dan adviesbureaus op grond van hun modelstudies zeggen te verwachten valt de werking van drainagesystemen in de praktijk daarom geregeld tegen. Dat geldt met name voor systemen voor subinfiltratie.
Ontwerpfouten bij subinfiltratiesystemen
Met subinfiltratie is in Nederland veel ervaring opgedaan; het eerste, inmiddels vergeten, grootschalige project dateert van 1956. Op een enorm areaal (10.000 ha) in de Noordoostpolder werden toen twee systemen getest: het enkelvoudige Vollenhove- en het samengestelde Ramspol-systeem (Schultz, 1992). De werking van deze systemen liep al snel na ingebruikname terug. Ze waren verstoppingsgevoelig en konden niet worden onderhouden, ook niet na het doorvoeren van rigoureuze aanpassingen. De problemen (verstopping, luchtsloten) in het Ramspol-systeem werden toegeschreven aan het ontwerp: de complexe ondergrondse regelsystemen en verdeelstations (Kalisvaart, 1958). Vergelijkbare problemen zijn daarom onvermijdelijk bij de ondergrondse PVC verdeelstations die nu op grote schaal in ons land worden geïnstalleerd; zie afbeelding 2.
Ook meer recent is in ons land praktijkervaring opgedaan met subirrigatie via drainagesystemen, vooral op zandgrond; zie bijvoorbeeld afbeelding 3 (Buck e.a., 2012). Dit infiltratiesysteem dat voorzien was van een passieve waterinlaat vanaf het nabijgelegen Wilhelminakanaal zou anno 2022 worden geclassificeerd als ‘drukdrainage’. Het ingelaten water bleek na twee jaar meten in droge perioden niet aantoonbaar tot hogere grondwaterstanden te hebben geleid. Een bijkomende domper: droge grond bleek waterafstotend. Zó erg zelfs, dat als een drain het contact met de grondwaterspiegel was kwijtgeraakt (her)bevochtiging van de omringende grond onmogelijk bleek. Deze water repellency is geen onbekend fenomeen. Deze en andere risico’s en onvolkomenheden zijn geregeld gerapporteerd (Van Zeijts, 1986; Stuyt, 1998; Stowa, 2000), maar ontbreken in actueel voorlichtingsmateriaal (www.kennisprogrammabodemdaling.nl).
Effecten van installatieomstandigheden
Drainage installeren onder natte omstandigheden leidt onvermijdelijk tot slechte resultaten en wordt daarom ontraden. Bij onstabiele gronden is het risico op verslemping vlakbij de nieuw geïnstalleerde drains, in dit geval transport van gronddeeltjes onder invloed van waterbeweging, te groot. De hydraulische doorlatendheid loopt hierdoor terug en de drainageweerstand neemt toe. Desondanks worden gronden met Gt I of II soms onder de grondwaterspiegel gedraineerd. Als waterverzadigde grond rondom de drains na zo’n installatie onvoldoende tijd krijgt om te stabiliseren betekent dit structuurbederf, met als gevolg een irreversibele afname van de hydraulische doorlatendheid rondom de drain, opbouw van zeer hoge hydraulische gradiënten en sterke inspoeling van bodemmateriaal.
Twee verschijningsvormen zijn beschreven: 1) drijfzandconditie: waterverzadigde, structuurloze grond wordt als vloeibare massa en via (omhulling en) buisperforaties de drain ingeperst, en 2) contacterosie: verzadigde grond stroomt met het drainagewater door (omhulling en) buiswand de drain in, waarbij rondom de drain macroporiën ontstaan. Daarnaast brengen video-inspectiesystemen geregeld ondergrondse beschadigingen als ‘platliggers’, losgetrokken ‘klikmoffen’ en omhullingsmateriaal aan het licht; zie afbeelding 4. Hierdoor kan de hydraulische capaciteit van de drainbuis ernstig worden verstoord of zelfs geblokkeerd. Gevolg: sterk teruglopende drainage en/of subinfiltratie.
Diepteligging en luchtsloten
Soms voldoet het verloop van de diepteligging van een geïnstalleerde drain niet aan voorgeschreven kwaliteitseisen; zie afbeelding 5. De diepteligging van deze drain varieert over de gehele lengte meer dan de halve inwendige buisdiameter (28 mm). De kans op luchtsloten is hierdoor aanzienlijk, vooral vlak achter de met het sloottalud weggezakte eindbuis, met als gevolg stromingsblokkades.
Afwijkingen in diepteligging zijn helaas geen uitzondering, vooral in slappe veengrond. Zij houden verband met de rijsnelheid, het gewicht van de draineermachine en de feedback van de hydrauliek van de machine de op de variabele maaiveldhoogte en de mechanische weerstand van de ondergrond die de machine tijdens het rijden ondervindt. Na installatie soms nog gevolgd door het nazakken van geïnstalleerde buizen in slappe gronden en sloottaluds (Stuyt, 2013). Incidentele inspectie van in het kader van het Nationale Kennisprogramma Bodemdaling grootschalig geïnstalleerde systemen voor onderwaterdrainage geeft veel reden tot zorg. In veenweidegebieden blijken eindbuizen van onderwaterdrainages geregeld onvindbaar, zelfs van vrij nieuwe verzameldrains. Dat is geen verrassing: na installatie wordt zelden of nooit naar de systemen omgekeken. Eindbuizen raken bij het maaien van taluds van perceelsloten vaak ernstig beschadigd, bewegen mee met omlaag zakkende taluds en verdwijnen daarbij soms onder de slootbodem. Maar deze eindbuizen waren wèl de ‘kranen’ die slootwater in het bodemprofiel moesten inlaten om bodemdaling en de emissie van broeikasgassen af te remmen.
Verstopping en onderhoud van subinfiltratiesystemen
Rond 1960 werden uitgebreide infiltratieproeven gehouden op toenmalig proefbedrijf ‘Vredepeel’. Bij infiltratie met oppervlaktewater werd ernstige vervuiling van drains geïdentificeerd als het dominante probleem. Het aangevoerde water voerde immers veelsoortige verontreinigingen mee en in het in de drains afgezette organische materiaal ontwikkelde zich vervolgens een flora van ondoorlatende afzettingen, gevormd door slijmvormende en ijzerbindende bacteriën. De werking van de infiltratiesystemen in Vredepeel begon hierdoor na twee jaar te verslechteren, onder andere wegens verstoppingen in de grond en de filters rondom de buizen (Hellings (1965) en Kouwe (1967)). Onlangs werden bij infiltratie van industrieel restwater (Bavaria) al na enkele weken vergelijkbare problemen gemeld (Bartholomeus e.a., 2018).
Het besef dat drainonderhoud voor goede werking onvermijdelijk is lijkt anno 2022 te zijn weggeëbd. De gebruikers beseffen niet dat hun systemen kwetsbaar zijn en onderhoud vergen. Er is ook niemand die ze hierop wijst. Integendeel: hun wordt verzekerd dat de levensduur van hun nieuwe systeem 30 jaar is (Wageningen-UR, 2021). Deskundige voorlichting hierover (Drainageconsulentschappen) die de, minder rooskleurige, feiten met gebruikers deelt is wegbezuinigd. Helaas is onderhoud (‘doorspuiten’[1]) van de inmiddels wijdverbreide ondergrondse ‘verdeelstations’ (zoals in afbeelding 2) aanzienlijk ingewikkelder, tijdrovender en duurder dan van de conventionele enkelvoudige drainages, terwijl het hardnekkige probleem van de luchtsloten er niet mee wordt opgelost.
[1] De term ‘doorspuiten’ (EN: drain jetting) valt anno 2022 in Nederland niet goed, en is daarom vervangen door ‘schoonmaken’. Werkwijze en apparatuur zijn echter niet veranderd.
Blokkades worden ook veroorzaakt door Amerikaanse rivierkreeften die in ons land een ware plaag zijn geworden. Tijdens visuele inspecties in veenweidegebied in de Krimpenerwaard in 2019 bleken in 28 van de 44 onderzochte onderwaterdrains Amerikaanse rivierkreeften te zitten; zie afbeelding 6. Zij hebben in deze drains een aantrekkelijke biotoop gevonden maar verhinderen een goede drainage- en infiltratiewerking. De observaties in de Krimpenerwaard lijken geen incident.
Blokkades worden ook veroorzaakt door Amerikaanse rivierkreeften die in ons land een ware plaag zijn geworden. Tijdens visuele inspecties in veenweidegebied in de Krimpenerwaard in 2019 bleken in 28 van de 44 onderzochte onderwaterdrains Amerikaanse rivierkreeften te zitten; zie afbeelding 6. Zij hebben in deze drains een aantrekkelijke biotoop gevonden maar verhinderen een goede drainage- en infiltratiewerking. De observaties in de Krimpenerwaard lijken geen incident.
Meten is weten
Onderzoekers monitoren effecten van subinfiltratie via onderwaterdrains in veenweidegebieden in uitvoerige meetprogramma’s. Als de ‘dosis’, te weten de infiltratieintensiteit aan de verdronken drainuitmondingen, onbekend is hebben deze metingen echter weinig betekenis, want de infiltratiedrains zijn de ‘kranen’ waardoor veenbodems moeten worden vernat. Infiltratie kan alleen gemeten worden aan met debietmeters uitgeruste, zogenoemde ‘drukdrainages’, en dat is een kleine minderheid van alle systemen. Noodgedwongen suggesties van onderzoekers dat verdronken uitmondingen van (verzamel)drains die ‘los’ in perceelsloten uitmonden ‘wel goed zullen infiltreren’ zijn speculatief, optimistisch en ongegrond. Als infiltratiedrains door vervuiling, beschadiging of verstopping geblokkeerd raken stopt het afremmen van de emissie van broeikasgrassen, als daar überhaupt al sprake van was (Radboud Universiteit, 2021).
Gelukkig is speculeren over subinfiltratie via verdronken drainuitmondingen verleden tijd omdat deze sinds 2020 wèl kan worden gemeten. Tabois en Wartena (1964) hadden destijds de primeur van een primitieve debietmeter voor drainafvoeren uit ‘verdronken’ drains (Van der Weerd en Visser, 1956), gevolgd door Van der Weerd (1976) met een geavanceerder model. Meting van infiltratiedebieten was in beide gevallen onmogelijk. Na de introductie van subinfiltratie in Nederlandse veenweiden groeide echter de behoefte aan dergelijke metingen. De technologie om dit te kunnen doen is sinds 2020 beschikbaar in de vorm van een mobiel meetinstrument, de EZ-FLO; zie Afbeelding 7.
Op vier percelen werden in de zomers van 2020 en 2021 met de EZ-FLO metingen verricht; zie https://fource-now.com/. De EZ-FLO registreert bij en aan een ø60-125 mm verdronken eindbuis de slootwaterstand hs (cm), de diepteligging van de hartlijn onder de waterspiegel h (cm), de inwendige stijghoogte hd (cm), het stijghoogteverschil Δh = hs – hd (cm) en het infiltratiedebiet qinf (mm/d), gegeven het areaal (m2) dat door de bewuste buis wordt bediend. Aansluitend is het aan de eindbuis opgelegde ‘slootpeil’ met successievelijk 20, 30 en 40 cm verhoogd, met gelijktijdige registratie van de resulterende infiltratiedebieten qinf20, qinf30 en qinf40(mm/d). Relevant is immers te weten hoe effectief het opzetten van slootpeilen voor subinfiltratie zou kunnen zijn. Na de metingen is de zogenoemde infiltratieweerstand van de eindbuis qinf/Δhsloot-drain (d-1) bij het huidige slootpeil berekend (een maat voor de hydraulische geleidbaarheid van de bewuste (verzamel)drain), en wordt de drainwerking op grond van de infiltratiedebieten qinf, qinf20, qinf30 en qinf40 gescoord met een 5-sterren review; het aantal sterren staat voor het maximale infiltratiedebiet in mm/dag.
Tabel 1 Resultaten van EZ-FLO infiltratiemetingen aan verdronken drainuitmondingen op vier percelen in 2020 en 2021. Voor verklaring, zie tekst.
In Tabel 1 zijn de resultaten van metingen van de infiltrerende werking van twaalf gescreende onderwaterdrains en drie verzameldrains, verspreid over vier locaties, samengevat. Op elke locatie waren meer drains aanwezig, maar op geen enkele locatie konden alle drainuitmondingen worden teruggevonden. Sommige uitmondingen waren beschadigd waardoor de werking niet kon worden gemeten. De hier gerapporteerde drains vormen qua werkingsgraad een representatieve doorsnede. Samengevat blijkt de werking bij het huidige slootpeil, met uitzondering van Vijfhuizen, onder de maat. Factoren die, naast de eerder besproken storingen, een rol spelen zijn: te lage zomerpeilen, te grote drainlengtes en de gebruikte drainagematerialen.
Locatie ’Vijfhuizen’ – De infiltrerende werking van deze drains blijkt al bij kleine Δh aanvaardbaar. Dit is goeddeels te danken aan de ruime dimensionering, te weten ø80mm buizen (in plaats van de gebruikelijke ‘zestigers’), voorzien van omhullingsmateriaal ‘PP-1000’, gecombineerd met schelpen.
Locatie ‘Vinkeveen’ – De hier aangelegde zogenaamde samengestelde systemen moeten 1 ha grote arealen van smalle veenweidepercelen van water voorzien via een ø125mm eindbuis, een ondergrondse verdeelput en een serie parallelle ø60mm drains. Het zomerpeil is echter te laag, waardoor een te kleine Δh aan de drainuitmonding (4 cm) over blijft. De werking is daardoor matig, wellicht ook omdat de interne hydraulische stromingsweerstand van deze samengestelde systemen te groot is om het gehele perceel van water te kunnen voorzien.
Locatie ‘Zwartsluis’ – Dit is een enkelvoudig drainagesysteem, bestaande uit 14 afzonderlijke 125m lange, ø60mm drains, alle met een eigen eindbuis in de sloot. Prima diepteligging en dus Δh, maar aan geen enkele drainuitmonding werd infiltratie gemeten. De natte zomer van 2021 zal hier deels debet aan zijn. Na opvoeren van het slootpeil aan de drainuitmondingen bleek de infiltrerende werking echter beperkt en sterk te variëren. Drains die goed bleken te kunnen infiltreren deden dit pas bij irreëel hoge slootpeilen die soms even hoog waren als het omringende maaiveld.
Locatie ‘Rouveen’ – Hier was de drainwerking slechter dan op het nabijgelegen en qua omstandigheden vergelijkbare veenweideperceel ‘Zwartsluis’. De drains zijn hier onaanvaardbaar lang (225m) en daarmee extra storingsgevoelig. Infiltratie blijkt alleen met irreëel hoge slootwaterstanden mogelijk.
Conclusies
De volgende conclusies zijn te trekken:
- De Nederlandse hydrologen die regionale en landelijke modellen ontwikkelen en toepassen hebben de essentiële wetenschappelijke drainagekennis die de afgelopen decennia is ontwikkeld niet of onvoldoende in de betreffende modellen verwerkt;
- Uit veldonderzoek blijkt dat de werking van buisdrainage, vooral bij subinfiltratie, minder goed is dan op grond van de theorie kan worden verwacht;
- De drainage- en infiltratiewerking van buisdrainage in regionale modellen wordt daardoor structureel als te effectief gemodelleerd;
- Dit heeft mogelijk grote gevolgen voor de beleidsadviezen die op de modelresultaten worden gebaseerd.
Hoe nu verder?
Drainage speelt een belangrijke rol in het Nederlandse waterbeheer en moet weer de aandacht krijgen die het verdient. Enkele suggesties voor urgente no regret maatregelen:
- Beëindig de onterechte ‘optimism bias’ rond drainage: modelleer dus niet langer met ‘ideale drains’ maar met op veldwaarnemingen gebaseerde, geverifieerde drainageweerstanden;
- Bezint eer gij begint: maak beter gebruik van de anno 2022 nog steeds onverminderd actuele drainagekennis die sinds WWII in Nederland en daarbuiten is ontwikkeld;
- Onderken de beperkte inzetbaarheid van de dure (€3000/ha), onbetrouwbare onderwaterdrainages en ga op zoek naar oplossingen en alternatieven;
- Heroverweeg de veronderstelde geschiktheid van veenweideinfiltratie als instrument om broeikasgasemissies en bodemdaling af te remmen; negeer niet langer de geregelde kritische signalen/artikelen/rapporten uit binnen- en buitenland;
- Beëindig de installatie van de onderhoudsonvriendelijke ‘verdeelstations’ in onderwaterdrainages;
- Organiseer het operationeel houden van (onderwater)drainages: onderhoud, verantwoordelijkheden, controle/handhaving.
Affiliatie Disclaimer
FOURCE (https://fource-now.com) staat onder leiding van Dr.Ir. L.C.P.M. Stuyt, die 42 jaar heeft gewerkt als drainageonderzoeker bij ICW, Staring Centrum en Alterra. Stuyt heeft in 2020 in eigen beheer het EZ-FLO meetinstrument ontwikkeld. Drijfveer: accurate en verifieerbare meting van waterstroming door verdronken uitmondingen van (verzamel)drains, bij drainage en infiltratie en met regelbare drooglegging.
Referenties
Akker, J.J.H. van den (2013) Pilot onderwaterdrains Krimpenerwaard; Alterra-rapport 2466.
Bakel, P.J.T. van (2013) Betekenis van Hooghoudt nog lang niet ‘uitgehold’; in: Stromingen 19, No. 2.
Bartholomeus, R.P., A.H. van Loon en M.H.J. van Huijgevoort (2018) Hergebruik van industrieel restwater voor de watervoorziening van de landbouw Praktijkproef subinfiltratie met gezuiverd restwater van Bavaria; Rapport 2018.089 KWR.
Beers, W.F.J. van (1979) Some nomographs for the calculation of drain spacings; Bulletin 8, ILRI, Wageningen.
Buck, A.J. de, L.C.P.M. Stuyt en J.R. van der Schoot (2012) Infiltratie via samengestelde regelbare drainage; Verslag van een praktijkproef op het bedrijf van René Vermeer te Haghorst, 2010 en 2011, PPO nr. 3250141000, PPO-Business Unit Akkerbouw, Groene ruimte en Vollegrondsgroenten, Wageningen.
Childs, E.C. and E.G. Youngs (1958) The nature of the drain channel as a factor in the design of a land drainage system; in: Journ. Soil Sci. 9, 2:316-331.
Cultuurtechnische Vereniging (1988) Cultuurtechnisch Vademecum.
Dierickx, W. (1980) Electrolytic analogue study of the effect of openings and surrounds of various permeabilities on the performance of field drainage pipes; in: Comm. of the Nat. Inst. for Agr. Eng. 77, Merelbeke (België).
Ford, H. W. (1982) Estimating the potential for ochre clogging before installing drains; in: Transactions of the ASAE 25(6):1597-1600.
Gaast, J.W.J. van der (2019) Veenweiden niet te redden met onderwaterdrainage; in: V-focus: 28-31.
Hellings, A.J. (1965) Het onderzoek op het Proefbedrijf Vredepeel; Nota 290 ICW, Wageningen.
Hendriks, R.F.A. (2013) Pilot onderwaterdrains Utrecht; Alterra-rapport 2479.
Kalisvaart, C. (1958) Subirrigation in the Zuiderzee Polders; Publication 2, ILRI, Wageningen.
Kramer, M., P. Schipper en M.J.M. Visser (2009) Waterwingebied Sint Jansteen; Grontmij.
Kouwe, J.J. (1967) Infiltratie op kavel 31 van de Stichting ‘Proefbedrijf Vredepeel, Nota 379 ICW, Wageningen.
Kroon, T. (2017) Veranderingsrapportage LHM 3.3.0. Deltares.
Massop H.Th.L., C. Schuiling en A.A. Veldhuizen (2013) Buisdrainagekaart 2012; Alterra-rapport 2381.
Massop, H.Th.L., P.J.T. van Bakel en P.G.B. de Louw (2017) Maatgevende afvoer en maaiveldafvoer in waterschap Vechtstromen; Rapport 2839, WUR-WEnR.
Naarding, W.H. (1998) Persoonlijke mededeling.
Radboud Universiteit (2021) Kunnen onderwaterdrainage en infiltratie aan een duurzame emissiereductie bijdragen?; Technische rapportage project ‘Monitoring veenoxidatiesnelheden en broeikasemissies PF 2016/165140, Nijmegen.
Ritzema, H.P. (1994) Drainage Principles and applications; Publication 16, International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI), Wageningen.
Schulz, E. (1992) Waterbeheersing van de Nederlandse Droogmakerijen: in: Van Zee tot Land 58, Lelystad, ISBN 90-369-1087-0.
Stowa (2000) Onderhoud van drainageconstructies in waterkeringen; Compendium, Tauw BV, Deventer.
Stuyt, L.C.P.M. (1992) The water acceptance of wrapped subsurface drains; Proefschrift Landbouwuniversiteit, Wageningen.
Stuyt, L.C.P.M. (1998) Schade aan onderlopende buisdrainage; Literatuurstudie – State-of-the-Art – Onderzoeksvoorstel, DLO-Staring Centrum, Wageningen.
Stuyt, L.C.P.M. (2013) Regelbare drainage als schakel in toekomstbestendig waterbeheer; STOWA Rapport 18, Alterra rapport 2317.
Tabois, H.G. en L. Wartena (1964) Drainafvoer onder water; in: Tijdschr. Kon. Ned. Heidemij 75,4:210-215.19 (2013)2.
Waterschap Vechtstromen (2020) Verbetering grondwatermodel Nieuwe Drostendiep; Concept V0.1.
Weerd, B. van der en W.C. Visser (1965) Een apparaat voor het meten van draindebieten onder water en enkele op deze meting steunende resultaten; Verspreide overdrukken 34, ICW, Wageningen.
Weerd, B. van der (1976) Een registratie-unit voor drainafvoeren, grondwaterstanden, slootpeilen en neerslag; Verspreide overdrukken 184, ICW, Wageningen.
Wageningen-UR (2021) KWIN 2021-2022; Kwantitatieve Informatie Veehouderij. Handboek 45.
Zeijts, T.E.J. van (1986) Kwaliteitsbewaking drainagewerk; in: Cultuurtechnisch tijdschrift 26, nr. 3.
Controlled drainage in regional hydrological models, modelling and the field gap
Drained agricultural areas in the Netherlands comprise over 620.000 hectares (1.5 million acres). Conventional pipe drainage systems are designed to move shallow groundwater levels downward, while controlled systems may also be employed to move deep groundwater levels upward through subirrigation. Given the crucial role of land drainage on regional water management it is of great importance to properly model (controlled) land drainage in regional simulation models. Given the limited awareness of model developers of relevant theory and geographical data associated with land drainage, this is not self-evident. This observation is substantiated on Hooghoudt’s drain spacing equation. In addition, modelers are unaware of a variety of problems inherent in field drainage systems that may severely impact drainage performance. Fortunately, new technology helps to diagnose drain failure. It is now possible to quantify flow rates through submerged drain outlets in field ditches using a dedicated tool, the EZ-FLO. This paper summarizes some results.
Download hier de publicatie in ‘Stromingen 2022-1’.
Voorbeelden van recente veldmetingen
Functioneren infiltratiedrains op percelen te Zwartsluis en Rouveen
Onderaan de pagina kunt u deze Summary als .pdf-bestand downloaden.
dd. 3-4 augustus 2021
Dr.Ir. L.C.P.M. Stuyt
1. Metingen
In opdracht van Waterschap Drents Overijsselse Delta (WDOD) is de FOURCE EZ-FLO ingezet om op twee percelen in de buurt van Zwartsluis, respectievelijk Rouveen de infiltrerende werking van drains onder water te meten.
Voor deze metingen worden de drains tijdelijk hydrologisch geïsoleerd. Vervolgens wordt geconstateerd of via de eindbuis water wordt uitgewisseld met het oppervlaktewater, en zo ja, of er sprake is van drainage of infiltratie.
Aansluitend wordt de drain onderworpen aan een peilverhoging door de waterdruk in de aan de aan de eindbuis bevestigde stijgbuis (de FOURCE ‘Irrigauge’) op te voeren, door slootwater rechtstreeks de Irrigauge in te pompen. Gekozen werd voor debieten van 5,5, 4,4 en 2 liter per minuut. Meestal had de stijghoogte na vijf minuten een stabiel maximum bereikt.
Het ‘terugvinden’ van verdronken eindbuizen is een bijzonder lastige klus. Niet alle drains op beide percelen konden worden opgespoord, en sommige eindbuizen waren zwaar beschadigd waardoor de Irrigauge niet kun worden aangesloten. Op het perceel bij Zwartsluis konden uiteindelijk 14 drains worden opgespoord en gemeten; op het perceel bij Rouveen slechts 6.
2. Observaties
Zwartsluis
Geen van de 14 drains infiltreerden. Een klein aantal voerde marginaal drainagewater af (drukhoogte in de drain maximaal 10mm boven slootpeil).
14 van de 18 drains konden worden gemeten, gemiddelde drainafstand L = 4,5m; drainlengte 125m. De resultaten zijn samengevat in Tabel 1. Elke drain is onderworpen aan twee pompdebieten die resulteerden in twee waterkolomhoogtes in de plexiglas buis van de Irrigauge; vandaar per drain twee regels in deze tabel. Legenda:
De werkingsgraad van de drains verschilt aanzienlijk; de infiltratieweerstand van de slechtste drains (13, 16) is vier keer zo hoog als van de beste (15). In Tabel 1 is het verloop voor de duidelijkheid gerangschikt op afnemende werkingsgraad, maar op het perceel liggen goede en slechte drains willekeurig gespreid.
De drains kunnen worden ‘gedwongen’ om voldoende water te infiltreren (tot 8mm/d), maar dit lukt in vrijwel alle gevallen alleen als het bestaande slootpeil met 30 à 40cm wordt verhoogd. Dat is in de praktijk echter geen reëel optie, want dan wordt de drooglegging – die met het huidige zomerpeil al beperkt is – snel gereduceerd tot nul (‘plas-dras’). Enigszins opzetten van slootpeilen zet ook geen zoden aan de dijk, omdat de infiltratieweerstand pas bij zeer geringe drooglegging voldoende daalt.
Rouveen
Bij geen van de 6 drainuitmondingen was sprake van waarneembare uitwisseling van water met de perceelsloot; het slootpeil en de stijghoogte in de drains waren overal gelijk. Alle drains ‘stonden stil’.
6 van de 14 aanwezige drains konden worden gemeten, gemiddelde drainafstand L = 9m; drainlengte 225m. De resultaten zijn samengevat in Tabel 2. Elke drain is onderworpen aan drie pompdebieten die resulteerden in drie waterkolomhoogtes in de plexiglas buis van de Irrigauge; vandaar per drain drie regels in deze tabel. Legenda:
De werkingsgraad van de drains vertoont hier een minder grote spreiding dan in het perceel te Zwartsluis. De drains aan de zuidzijde van het perceel (drains 12-13-14) doen het iets beter dan de drains aan de noordzijde (8-9-10).
Ook hier kunnen de drains kunnen worden ‘gedwongen’ om voldoende water te infiltreren (weer tot 8mm/d), maar dit lukt hier alleen als het bestaande slootpeil met ca. 30cm wordt verhoogd; ook hier is dat geen reële optie.
De stijghoogte in de Irrigauge is hier doorgaans minder groot dan bij Zwartsluis; een teken dat de infiltratiedrains hier gemakkelijker slootwater opnemen. Echter: de drains zijn hier tweemaal zo lang als bij op het perceel te Zwartsluis (225m tegenoven 125m), en bij vergelijkbare drainafstand moeten de drains op het perceel te Rouveen een tweemaal zo groot areaal van irrigatiewater voorzien (2025 tegenover 1057 m2). Dit verschil doet de infiltratieweerstand stijgen, want deze is gebaseerd op volumes irrigatiewater, uitgedrukt in mm waterschijf/dag.
3. Conclusie
Het functioneren van een infiltratiedrain wordt beoordeeld op de ‘moeite’ die gedaan moet worden om zo’n drain te laten doen wat hij moet doen, namelijk een gewenst volume oppervlaktewater per tijdseenheid transporteren van de perceelsloot naar het bodemprofiel, met als drijvende kracht de stijghoogte van het oppervlaktewater waarin de drain onder de waterspiegel uitmondt.
De werkingsgraad van nagenoeg alle onderzochte drains varieert sterk en blijkt voor deze functionaliteit in nagenoeg alle gevallen ontoereikend. De slechte doorlatendheid van de grond in de onmiddellijke nabijheid van de drains, en de aanwezigheid van luchtsloten in de buizen zijn vermoedelijk de belangrijkste oorzaken.
Bijlage: Impressie inzet FOURCE EZ-FLO in Zwartsluis en Rouveen, augustus 2021
