In droge perioden leiden de grondwateronttrekkingen bij de winningen in Hemmen en Zetten tot droogte- en zettingsschade. Na gesprekken met de omgeving heeft Vitens onderzocht of deze schade kan worden beperkt door zomers minder water op te pompen. Dat blijkt het geval. Om dan wel voldoende drinkwater te kunnen leveren, moet bij andere winvelden extra water worden onttrokken. Of een dergelijke sturing van winvelden mogelijk is met de huidige assets en bedrijfsvoering van Vitens wordt nu uitgezocht.

De grondwaterwinningen in Hemmen en Zetten, in het gebied tussen de Waal en de Neder-Rijn, zijn rond 2005 ontwikkeld. De eerste jaren werd hier jaarlijks een relatief geringe hoeveelheid grondwater onttrokken voor de drinkwaterproductie. Sinds 2015 is het onttrekkingsdebiet fors toegenomen door een toenemende vraag naar drinkwater. Hierdoor daalt in de omgeving van de winvelden lokaal de grondwaterstand. Dat veroorzaakt mogelijk droogteschade aan landbouwgewassen, en zettingsschade aan oude panden die op staal zijn gefundeerd.

“We gaan kijken hoe we op een slimme manier kunnen sturen op het beperken van onze impact op de omgeving.”

Effecten verminderen
“Vooral uit het gebied rond het winveld in Hemmen kregen we klachten van landbouwers over droogteschade. Ook gebouweigenaren klopten bij ons aan met schade”, vertelt hydroloog Jelle van Sijl van het Waterexpertisecentrum, team Technologie en Onderzoek. “Hun boodschap was ‘Vitens, pomp maar wat minder grondwater op’. Wij hebben deze signalen serieus genomen en zijn gaan onderzoeken welke mogelijkheden er zijn om de effecten van onze onttrekkingen te verminderen, zonder dat onze drinkwaterlevering in gevaar komt. Als eerste hebben we gekeken of we meer water kunnen infiltreren, maar al snel was duidelijk dat dit onvoldoende effectief is. Ook zijn we onderzoek gestart naar nieuwe, waterbesparende technieken om gewassen van vocht te voorzien, zoals druppelirrigatie. Daarnaast zijn we gaan kijken hoe we op een slimme manier kunnen sturen op het beperken van onze impact op de omgeving“

“Met deze tijdsreeksmodellen kunnen we goede voorspellingen doen.”

Inzicht
Het onderzoek naar slimme impactsturing hebben we samen met data-hydrologen van Artesia gedaan. Er worden van bijna 250 grondwaterreeksen duizenden modellen gemaakt, om meer inzicht te krijgen in het effect van onder andere onze onttrekkingen op de grondwaterstanden rond de winningen. We hebben de grondwaterstanden berekend aan de hand van neerslag- en verdampingscijfers, de waterstanden in de Waal en de Neder-Rijn en onze onttrekkingen in de wijde omgeving. De berekende waarden kwamen op veel meetlocaties goed overeen met de gemeten grondwaterpeilen. Daaruit bleek dat we met deze tijdreeksmodellen goede voorspellingen kunnen doen.”

Grondwaterstanden ‘sturen’
Als volgende stap hebben we berekend of we door het variëren van de onttrekkingsdebieten – bijvoorbeeld tijdelijk minder grondwater oppompen – kunnen anticiperen op droge perioden. Kunnen we bijvoorbeeld een verlaging van het grondwaterpeil voorkomen als het KNMI voorspelt dat het twee weken heel droog wordt? De modelberekeningen laten zien dat dit lastig is, omdat het effect van een lager onttrekkingsdebiet pas na circa twee maanden zichtbaar is. Op grond daarvan hebben we geconstateerd dat we veel verder vooruit moeten kijken. Met dit uitgangspunt hebben we nieuwe berekening gemaakt. Daaruit blijkt dat we ‘s zomers de verlaging van het grondwaterpeil met tien tot zeventien centimeter kunnen verminderen, als we onze drinkwateronttrekking in Hemmen gedurende drie maanden halveren en er de andere negen maanden juist iets meer oppompen. Een dergelijke verlaging beperkt de droogteschade.”

Kan het in de praktijk?
“Dat uit onze modelberekeningen blijkt dat we met de winningen kunnen sturen op het beperken van schade”, stelt Jelle”, betekent niet dan we onze plannen direct kunnen toepassen. Immers, minder water oppompen in de zomermaanden past niet bij de zomerse piek in de drinkwatervraag. We moeten nu eerst kijken of het ook in de praktijk kan. Kunnen we bijvoorbeeld genoeg drinkwater van andere winvelden aanvoeren, die minder nadelige omgevingseffecten hebben, gedurende de drie maanden dat we in Hemmen het onttrekkingsdebiet halveren? Hebben de bestaande transportleidingen genoeg capaciteit om water over grotere afstanden te verplaatsen? En kunnen die andere winningen een hogere productie en wisselende waterkwaliteit aan? Al dit soort vragen moeten we de komende tijd met een interdisciplinair team van Vitens zien te beantwoorden“

Jelle vervolgt: “Ondertussen hebben we in het onderzochte gebied een modern en toekomstgericht real-time meetnetwerk aangelegd. Daardoor kunnen we nu de grondwaterstanden en bodembewegingen eenvoudig online volgen, evenals de relatie met de rivierwaterstanden, de neerslag en verdamping en onze eigen onttrekkingen. Op basis van al deze meetgegevens en geavanceerde modellen hopen we in de toekomst onze winvelden slimmer te kunnen combineren en aan te sturen. Met als uiteindelijke doel een duurzame inpassing van onze drinkwaterwinningen in de omgeving.”

Geïnspireerd?
Voor meer informatie of een samenwerking kunt u contact opnemen via jelle.vansijl@vitens.nl.

Het nitraatgehalte in de bodem en het grondwater is op een aantal locaties boven de norm. Ook is de hardheid van het water toegenomen waardoor er extra zuiveringsstappen nodig zijn voor de drinkwaterproductie. Om de uitspoeling van nitraat te verminderen, is inzicht nodig in welke bodems nitraat wel en niet goed afbreekt. Vitens heeft hiernaar onderzoek gedaan. Verder onderzoekt Vitens welke factoren bepalend zijn voor de toename van de hardheid van grondwater.

“Met de nitraatconcentraties in de bodem en het ondiepe grondwater is iets vreemds aan de hand”, vertelt hydroloog Martin de Jonge. “Als twee percelen met een vergelijkbare bodemopbouw en hetzelfde gewas worden bemest met eenzelfde hoeveelheid mest, dan zien we vaak dat de gemeten nitraatconcentratie in het ondiepe grondwater bij het ene perceel aanzienlijk lager is dan bij het andere. Dat verschil ontstaat doordat in de ene bodem de denitrificatie relatief snel verloopt – het nitraat wordt in korte tijd door bodembacteriën afgebroken – en in de andere niet. Waarom dat zo is weten we niet goed. Voor Vitens is inzicht in de denitrificatie belangrijk. Als er namelijk meer nitraat in de bodem zit dan gewassen kunnen opnemen, dan spoelt het overtollige deel uit. En dat heeft een negatieve invloed op de grondwaterkwaliteit. Het nitraatgehalte stijgt tot boven de norm, de hardheid neemt toe en ook de gehaltes aan sulfaat en nikkel kunnen door chemische reacties te hoog worden. Daarom hebben we samen met de universiteit Wageningen en de provincie Gelderland onderzoek gedaan naar denitrificatie.”

Vuistregels
“Voor het onderzoek hebben we steeds paren gemaakt van percelen met vergelijkbare bodemtypen en grondwaterstanden, maar verschillende nitraatconcentraties in het grondwater. Van elk perceel hebben we bodemprofielen gemaakt. Verder hebben we op vier dieptes de hoeveelheid van de verschillende soorten organische stof gemeten, zoals het bodemorganische stof, de opgeloste organische koolstof in de bodemoplossing en het met water extraheerbare organische koolstof. Ook hebben we in het laboratorium de potentie voor denitrificatie bepaald. We hoopten op deze manier een relatie te vinden tussen de denitrificatie en specifieke bodemeigenschappen. Helaas is dat niet gelukt. We zagen alleen dat denitrificatie sterk samenhangt met de vochthuishouding: in natte bodems verloopt de afbraak snel en in droge langzaam. Een duidelijke relatie tussen de hoeveelheid organische stof en afbraaksnelheid zagen we echter niet. Waarschijnlijk moeten we daarvoor nog nadrukkelijker naar de eigenschappen van de organische stof kijken.”

Volgens Martin kunnen ondanks deze ietwat teleurstellende uitkomst wel een paar vuistregels voor agrariërs worden gegeven, die voortkomen uit een samenwerking met project vruchtbare kringloop: “Vooral op zandgronden is het belangrijk om drijfmest voor de zomer op het land te brengen, als de grondwaterstanden nog relatief hoog zijn. Te vroeg in het voorjaar is echter ook niet goed, omdat de gewassen dan onvoldoende opnemen en dat is ook in de herfst het geval. Verder is het niet handig om drijfmest vlak voor hevige regen op het land te brengen, omdat een groot deel dan direct uitspoelt.”

“Opvallend is dat de hardheid van grondwater in de omgeving van landbouwgebieden twee keer zo hoog is als in natuurgebieden”

Toenemende hardheid
Behalve naar denitrificatie doet Vitens ook onderzoek naar de relatie tussen bemesting en de hardheid van grondwater. Martin: “Meetreeksen laten zien dat de hardheid van grondwater bij circa driekwart van de Nederlandse winningen sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw sterk is toegenomen. Bij onze winning ‘t Klooster bedroeg de hardheid in 1967 bijvoorbeeld 1,5 millimol per liter en op dit moment is dat al 3,3 millimol per liter. Het opvallende hierbij is dat de hardheid bij winningen in de omgeving van landbouwgebieden ongeveer twee keer zo hoog is als bij winningen die vooral onder invloed staan van natuur. Dat duidt erop dat de stijging sterk samenhangt met de landbouwpraktijk. Met het onderzoek willen we, samen met onze collega-drinkwaterbedrijven WMD en WML, grondig in kaart brengen welke processen bepalend zijn voor de toenemende hardheid. Als we dat weten, kunnen we in gesprek met de landbouwsector om te kijken of er manieren zijn om deze trend naar beneden om te buigen.”

Open Bodemindex
Samen met de Rabobank en a.s.r. heeft Vitens de Open Bodemindex (OBI) laten ontwikkelen door het Nutriënten Management Instituut, Wageningen University & Research en FarmHack. De OBI is een objectieve manier om de bodemkwaliteit van landbouwpercelen te waarderen. Boeren die gebruik maken van de OBI krijgen inzicht in eventuele knelpunten van hun bodem voor het telen van gewassen. Zo geeft de OBI een kwaliteitsscore op basis van de gehalten aan mineralen, de bodemstructuur en het aanwezige bodemleven. Met deze informatie hebben boeren een  handvat om de bodemkwaliteit te verbeteren en de bodem duurzaam te beheren. Voor Vitens is duurzaam bodembeheer belangrijk omdat dit bijdraagt aan schonere drinkwaterbronnen.

Geïnspireerd?
Voor meer informatie of een samenwerking kunt u contact opnemen via martin.dejonge@vitens.nl. 

Om het grondwatergebruik te beperken kijkt Vitens niet alleen naar het eigen gebruik, maar ook naar andere grondwaterbesparende maatregelen. Een goed voorbeeld is de proef met ondergrondse druppelirrigatie op proefboerderij De Marke in de Achterhoek. Naast waterbesparing zorgt deze techniek hopelijk ook voor minder uitspoeling van nutriënten en bestrijdingsmiddelen. Hydroloog Tom Hoogland en omgevingsmanager Onur Köse lichten het project toe.

“Veel agrariërs passen beregening toe om droogteschade te voorkomen of te beperken”, vertelt Tom. “In de meeste gevallen pompen ze daarvoor grondwater op. Vooral in droge jaren gaat het om enorme hoeveelheden water. Met de proef willen we onderzoeken of ondergrondse druppelirrigatie een goed en duurzaam alternatief is voor beregening. We denken dat met deze irrigatiemethode eenzelfde gewasopbrengst mogelijk is met een lager watergebruik. Bij beregening gaat namelijk een fors deel van het water verloren door lekverliezen, verwaaiing, verdamping, percolatie en bijvoorbeeld oppervlakkige afstroming.”

Onur vult aan: “Voor de proef – die we uitvoeren samen met de universiteit van Wageningen, de provincie Gelderland, waterschap Rijn en IJssel en de Land- en Tuinbouworganisatie (LTO) – vergelijken we op De Marke gedurende drie jaar ruim tien proefvelden met een gelijk aantal referentievelden. In de proefvelden zijn op een diepte van dertig tot veertig centimeter onder het maaiveld irrigatieslangen aangebracht. Deze diepte komt overeen met de wortelzone van de ingezaaide gras- en kruidenmengsels die als voer voor koeien worden geteeld. Op de referentievelden worden dezelfde voedergewassen ingezaaid maar die worden niet extra bewaterd. De medewerkers van de proefboerderij bepalen zelf hoeveel water ze aan de verschillende proefvelden toedienen. Om hen bij hun keuzen te helpen, hebben we samen met Wageningen universiteit en de leverancier van het druppelirrigatiresysteem een handleiding ontwikkeld met richtlijnen voor geschikte irrigatiemomenten en waterhoeveelheden.”

Twee doelen
“Gedurende de looptijd van de proef gaan we uitgebreid monitoren”, aldus Tom. “We meten bijvoorbeeld de hoeveelheid irrigatiewater, de vochtigheid van de bodem en de stoffen in het bodemvocht. Ook meten we de groei van de gewassen, de drogestofproductie, het gebruik van meststoffen, gewasbeschermingsmiddelen en biociden, de weerstand tegen droogte en de biologische en chemische processen in de bodem. Vorig jaar is het druppelirrigatiesysteem aangelegd en dit jaar, 2022, starten we met metingen in combinatie met de druppelirrigatie. De metingen willen we de komende drie jaar doen, zodat we inzicht krijgen in de werking van de ondergrondse druppelirrigatie in drogere en nattere jaren. Tijdens de proef blijven wij bij de nabijgelegen winning ‘t Klooster de gangbare hoeveelheden grondwater oppompen.”

“Met de proef streven we twee doelen na: klimaatbestendige landbouwsystemen ontwikkelen en waterbesparing.”

“Met de proef streven we twee doelen na. Het eerste doel is klimaatbestendige landbouwsystemen ontwikkelen, het tweede waterbesparing. Als agrarische bedrijven minder grondwater nodig hebben voor het bewateren van hun gewassen, blijft de grondwatervoorraad beter op peil en leidt ons grondwatergebruik minder snel tot schade aan de omgeving. Zeker op de hogere zandgronden speelt dit, omdat we daar in droge jaren met onze onttrekkingen vaak al tegen de grenzen aan zitten. Een ander doel is het beperken van de uitspoeling van nutriënten en bestrijdingsmiddelen. Deze stoffen spoelen vooral uit als er in één keer veel water op een akker komt, meer dan de gewassen kunnen opnemen. Als de grond in de wortelzone continu voldoende vochtig is, nemen plantenwortels nutriënten beter op en vermindert de uitspoeling van stoffen die nadelig zijn voor de grondwaterkwaliteit. Een bijkomend voordeel van een stabielere vochthuishouding is dat planten geen ‘droogtestress’ krijgen en minder vatbaar zijn voor plagen. Daardoor hoeft de agrariër minder bestrijdingsmiddelen te gebruiken.”

“We zijn ervan overtuigd dat een nieuwe techniek alleen breed wordt opgepakt als je mensen weet te enthousiasmeren.”

Enthousiasmeren
Hoewel de daadwerkelijke proef nog moet beginnen, denken Onur en Tom nu al na over het verspreiden van de opgedane kennis. Onur: “De proefboerderij in de directe omgeving van de winning ‘t Klooster is natuurlijk heel geschikt voor het uitvoeren van de proef, omdat de winning op de toch al droge zandgronden van de boerderij extra droogteschade veroorzaakt. Maar uiteindelijk gaat het er natuurlijk om dat we agrariërs in de regio over de streep weten te trekken als blijkt dat ondergrondse druppelirrigatie een goed alternatief is voor beregening én rendabel voor het produceren van veevoer. Daarom hebben we vanaf het begin de boerenvereniging Vruchtbare Kringloop Achterhoek en Liemers bij de proef betrokken en gaan we tussentijdse ervaringen delen. Hoe kunnen boeren bijvoorbeeld het irrigatiesysteem goed inregelen om bij droogte over voldoende en goed veevoer te beschikken? En hoeveel water kun je ermee besparen? We zijn er namelijk van overtuigd dat een nieuwe techniek alleen breed wordt opgepakt als je mensen meeneemt en weet te enthousiasmeren.”

Geïnspireerd?
Voor meer informatie of een samenwerking kunt u contact opnemen via tom.hoogland@vitens.nl of onur.kose@vitens.nl.

Nauwkeurig inzicht in processen in puttenvelden ontbreekt tot nu toe grotendeels. Hoe snel en op welke diepte vindt bijvoorbeeld putverstopping plaats? Hoe kan ondergrondse ontijzering worden geoptimaliseerd en met welke snelheid stroomt geïnfiltreerd water richting onttrekkingsputten? Bij het puttenveld ‘t Klooster onderzoekt Vitens of glasvezeltechnologie geschikt is om dit soort vragen te beantwoorden.

“Glasvezelkabels zijn heel geschikt voor het meten van temperatuurverschillen over de lengte van de kabel”, vertelt hydroloog Johannes Dunnewolt. “De exacte werking is ingewikkeld maar in grote lijnen komt het erop neer dat je met een laser lichtgolven door de kabel stuurt en vervolgens de teruggekaatste golven meet. Door imperfecties in de wand van de kabel wordt een deel van het licht weerkaatst. Aan de hand van de intensiteit en golflengte van het weerkaatste licht kan de temperatuur worden bepaald op verschillende dieptes.”            

“Wij onderzoeken of we dit principe kunnen gebruiken voor het meten van grondwaterstromingen in en rond waterwinputten. Eerst hebben we in een laboratorium een proefopstelling gemaakt om te kijken of we onder ideale omstandigheden stromingen kunnen detecteren. Hiervoor hebben we speciaal geprepareerde glasvezelkabels gebruikt. Deze kabels bevatten naast enkele glasvezels, ook een paar zogeheten opwarmdraden. Deze draden warmen we op tot 30° Celsius. Vervolgens meten we met de naastgelegen glasvezelkabels hoe snel de verschillende delen van de opwarmkabels opwarmen en weer afkoelen. Daarbij gaan we er vanuit dat een punt op de kabel sneller afkoelt als het grondwater rond dit punt sneller stroomt dan rond andere punten. De snelheid van afkoelen vertalen we vervolgens naar stroomsnelheid.”

Bruikbare datasets
“In het laboratorium bleek het mogelijk om op deze manier verschillen in stroomsnelheid te meten”, vult collega-hydroloog Anouk Sprong aan. “Vervolgens hebben we in 2019 in en rond een put van het puttenveld ‘t Klooster totaal twaalf glasvezelkabels aangebracht. Sindsdien hebben we daar in het najaar van 2019 en de zomer van 2021 metingen gedaan, wat een enorme hoeveelheid data heeft opgeleverd. Inmiddels hebben we deze data kritisch bekeken en bruikbare datasets geselecteerd. Denk aan een set met temperatuurmetingen terwijl we water oppompten, een set metingen tijdens ondergrondse ontijzering en datasets terwijl de pomp in de naastgelegen put wel en niet draaide. De komende tijd gaan we al deze datasets grondig analyseren in de hoop dat we er bruikbare conclusies uit kunnen trekken.”

“We hopen de metingen voor drie aspecten te kunnen toepassen”, vertelt Johannes. “Het eerste is putverstopping. Als we met de glasvezelkabels de afname van stroomsnelheden rond en in de put kunnen meten, dan kunnen we eenvoudig vaststellen wanneer welk deel van de boorwand of het filter – het geperforeerde deel van de buis waarmee we het grondwater oppompen – begint dicht te slibben. Nu kijken we ongeveer een keer per jaar hoeveel kubieke meter water we kunnen oppompen bij een lokale verlaging van de waterstand in de put van één meter. Door deze meting te vergelijken met die van het jaar ervoor kunnen we zien of het debiet van de put afneemt. Dan weten we nog niet welk deel van de boorwand of het filter verstopt begint te raken. Om daar achter te komen moeten we een zogeheten flowmeting doen. Daarbij laten we een snelheidsmeter met een propeller in de put zakken, terwijl de put in gebruik is. Tijdens het zakken meten we hoe snel de propeller draait. Op die manier kunnen we de snelheid van het instromende water op de verschillende plekken in het filter bepalen.”

“Metingen met de glasvezelkabel zijn veel aantrekkelijker”

Johannes vervolgt: “Flowmetingen vergen veel werk. Je moet bijvoorbeeld de pomp verwijderen om de propeller in de buis te kunnen aanbrengen. Daarna moet de pomp weer worden teruggeplaatst, omdat de metingen tijdens de bedrijfsvoering moeten worden gedaan. En vervolgens moet de pomp er nog een keer uit en weer in om de propeller te verwijderen. Metingen met de glasvezelkabel zijn dan ook veel aantrekkelijker: ze hebben geen invloed op de bedrijfsvoering en je kunt ze op elk moment doen. Ook hoeft de put niet meer open, waardoor de kans op bacteriologische besmetting van het grondwater tijdens werkzaamheden veel kleiner wordt”

Ondergrondse ontijzering
Anouk: “De glasvezelmetingen hopen we ook te kunnen gebruiken om meer inzicht te krijgen in ondergrondse ontijzering. Voor het ondergronds verwijderen van ijzer uit het grondwater dat we oppompen, spoelen we de putten geregeld terug met zuurstofrijk water. Dit zorgt ervoor dat de ijzerdeeltjes rond de put oxideren en neerslaan. We weten tot nu toe niet goed hoe de zuurstofrijke waterbel zich in de ondergrond verspreidt en waar de ijzerdeeltjes neerslaan. Als we dat beter weten, kunnen we deze aantrekkelijke wijze van ontijzering – je voorkomt ijzerafzetting in je zuiveringsinstallaties en leidingen en hoeft ook nog eens minder ijzeroxideslib af te voeren – wellicht optimaliseren.”

Met de glasvezelmetingen wil Vitens ook de infiltratie van oppervlaktewater beter in beeld krijgen. Anouk: ”Rondom het puttenveld wordt vrij veel water geïnfiltreerd, onder andere het spoelwater van onze nabijgelegen zuivering. Met glasvezelkabels in de sloten in het intrekgebied en met kabels in de grond rond de putten, willen we meten hoe snel het geïnfiltreerde water richting de putten beweegt.”

“De komende tijd wordt het nog spannend”

Spannend
Anouk en Johannes kijken vol spanning uit naar de analyse van de verzamelde data. “Het zou fantastisch zijn als we met de glasvezelmetingen meer inzicht krijgen in putverstopping, ondergrondse ontijzering en infiltratieprocessen, maar bijvoorbeeld ook de onderlinge beïnvloeding van putten in een veld”, stelt Johannes. “Immers, dan kunnen we onze puttenvelden in de toekomst beter aansturen en beheren. Tegelijkertijd beseffen we dat de kans bestaat dat de metingen onvoldoende opleveren. Grondwater stroomt namelijk met een heel geringe snelheid – maximaal enkele meters per dag – waardoor je met een enorm hoge resolutie moet meten om snelheidsverschillen waar te nemen. De komende tijd wordt het dus nog spannend.”

Puttenveld ‘t Klooster
Vlakbij het Gelderse dorp Hengelo ligt de waterwinning ‘t Klooster. Hier pompt Vitens via twaalf putten jaarlijks bijna vijf miljoen m³ grondwater op. De zandige ondergrond heeft hier een specifieke opbouw. Zo zijn er lagen met grind aanwezig – racelagen genoemd – waar het grondwater sneller doorheen stroomt dan door de omringende grond. Op de winning past Vitens ondergrondse ontijzering toe. Putverstopping is er een veelvoorkomend probleem. Oppervlaktewater wordt naar het intrekgebied van de winning gevoerd voor infiltratie.

TKI-project
Het onderzoek naar het meten met glasvezelkabels vindt plaats binnen de regeling Topconsortia voor Kennis en Innovatie (TKI). Vitens werkt hiervoor samen met onder andere kennisinstituut Deltares, Wetsus en waterbedrijf Groningen.

Geïnspireerd?
Voor meer informatie of een samenwerking kunt u contact opnemen via johannes.dunnewolt@vitens.nl of anouk.sprong@vitens.nl.