Promotieonderzoek Vrije Universiteit

Onderdeel van het project Leven met Zout Water is een promotieonderzoek van J. Velstra aan de Vrije Universiteit, faculteit Aard- en Levenwetenschappen.

De wetenschappelijke uitwerking van de kennisvragen binnen de verschillende deelgebiedstudies geeft inhoud aan het promotieonderzoek en vindt zijn basis in de kennisvragen van de deelnemende waterbeheerders en de resultaten uit de inventariserende studie. Hieronder in het kort de uitwerking van de wetenschappelijke vraagstelling.

Vraagstelling promotieonderzoek
De polder- en boezemwateren van Laag Nederland bevatten plaatselijk en soms tijdelijk hoge zoutgehalten. Het zout is voornamelijk afkomstig uit het brakke grondwater, dat op relatief geringe diepte brak aanwezig is in Laag Nederland. Dit grondwater kwelt op in de bodem en de watergangen, soms heel lokaal via de zogenaamde wellen. Deze situatie, die al heel lang heerst in diepe en kustnabije polders, wordt veroorzaakt door de relatief lage polderpeilen ten opzichte van omliggende polders en de zeespiegel.

De eerste vraag betreft de herkomst van het zoute water in polders. De herkomst is in veel gevallen helemaal niet duidelijk is en afhankelijk is van de historische ontwikkeling van het watersysteem. Het grootste deel van het brakke- tot zoute grondwater in het Nederlandse kustgebied is relatief jong en is een relict van de Vroeg-Holocene transgressies. Maar kan soms wellicht ook van honderden meters diep afkomstig zijn en zijn oorsprong vinden in Tertiaire afzettingen. Dit leidt tot de vraag wat als hydrologische basis kan worden beschouwd onder andere in computersimulaties. Dit laatste leidt tevens tot de vraag hoe omgegaan kan worden met de relatie schaal en dynamisch gedrag van de zoet/zout verdeling dat niet past bij de huidige hydrologische situatie.

Naast brak grondwater uit de diepte, worden de watergangen ook gevoed door hemelwater dat oppervlakkig en ondiep via het grondwater van de percelen afstroomt (ondiepe systemen). Soms bestaat er ook een instroom van grondwater uit omliggende polders (intermediaire systemen). De verschillende dynamiek van deze systemen – die afneemt met de diepte – en de verschillende herkomst van het water, maakt dat de zoutconcentratie van de watergangen in brakke polders vaak sterk varieert in de tijd. Hoge zoutpieken komen vooral voor gedurende lange droge perioden in het voorjaar en de zomer, wanneer de bijdrage vanuit de ondiepe zoete systemen terugloopt.

Dit concept verklaart in zekere mate het “zoutsignaal” in kwalitatieve zin. Wat echter ontbreekt is een zodanig deterministisch inzicht in de gecombineerde werking van deze systemen, dat het tijdsafhankelijke zoutsignaal kan worden verklaard en gesimuleerd. Aan zo’n inzicht is behoefte, nu de vraag rijst of, en hoe, zoutgehalten gaan veranderen door klimaatverandering, bodemdaling en zeespiegelstijging. Nemen zoutgehalten als geheel toe door sterkere kwel of krijgen we een hogere frequentie van zoutpieken vanwege het vaker voorkomen van langdurige droogtes?  Wat gebeurt er bij ingrepen als woningbouw en ondergronds bouwen?  Behalve effect- scenariostudies is kwantitatief inzicht ook nodig voor het ontwerpen van mitigerende en adaptieve maatregelen tegen verzilting.

Enerzijds handelt de vraagstelling dus om de transitie van het “zoutsignaal” van grondwatersystemen naar het signaal in de locale watergang, waarin die systemen uitmonden. Omdat de hydrogeologische situatie van plaats tot plaats verschilt in een polder rijst ook een andere vraag, hoe de zoutsignalen van de afzonderlijke watergangen moeten worden opgeschaald naar het signaal in het uitgeslagen water - de polderafvoer - en tenslotte die in het boezemwater. Deze inzichten vormen de basis voor het verbeteren van instrumentaria voor water- en stoftransportberekeningen op de schaal van polders en beheersgebieden van waterschappen.

Een belangrijk meer aardwetenschappelijke vraag is die van de inhomogeniteit van de bodem. Naast de kwel via de genoemde wellen zijn er ook aanwijzingen dat de grondwatervoeding en afstroming op de percelen allerlei preferente banen volgt. Dat doet vragen rijzen rond de validiteit van de vertrouwde hydrologische aggregaties en schematisaties en de daaruit afgeleide stromingsvergelijkingen. Voor watertransport mogen deze hun nut hebben bewezen, voor het stoftransport is dat nog de vraag.   

Kort samengevat gaat dit onderzoek over het proces hoe de zoutgehalten in verschillende  drainage- en grondwaterstromingssystemen het zoutgehalte in het oppervlaktewater van een stroomgebied, in casu een polder, verklaren.

Onderzoeksstrategie
De methodologie voor dit onderzoek volgt een benadering, waarin eerst op locale schaal (perceels- of peilvakniveau) het water- en stoftransport van de verschillende drainage- en grondwatersystemen wordt bestudeerd. Afhankelijk van de lokale situatie en beschikbare gegevens zijn verschillende veldonderzoeken voorzien:

• De ondergrond van een subcatchment in de polder kan hydrogeologische gedetailleerd in kaart worden gebracht door middel van o.a. sonderingen, boringen en geofysische metingen.
• Waterstromen en waterpotentialen kunnen worden gemeten met behulp van meteorologische waarnemingen, afvoermetingen en waterstandsfluctuaties.
• Neerslag, bodemvocht, grondwater en oppervlaktewater kunnen worden bemonsterd en geanalyseerd op bepaalde tracers om het stoftransport te volgen en herkomst te herleiden.
• Water- en stofbalansen zullen worden opgesteld voor het subcatchment.

Op basis hiervan zullen conceptuele modellen worden opgesteld of bijgesteld, die ter verificatie uiteindelijk worden vertaald naar of verbetering van mathematische modellen.

De volgende stap is het versimpelen van de modellen en het bepalen van kenmerkende parameters van de verschillende drainage-, grondwater en afwateringssystemen op basis van de locale studies. Het doel is om op basis van meer extensieve surveys en bestaande  gegevens conceptuele en mathematische modellen voor de gehele polder te maken (opschalen).

Een belangrijk onderdeel bij het opschalen naar polderniveau is de relatie schaal en dynamisch gedrag van de zoet/zout verdeling dat niet past bij de huidige hydrologische situatie. Op basis van historische gegevens en aanvullende surveys zal een reconstructie worden gemaakt van de historische ontwikkeling van het watersysteem en de zoet/zout verdeling in de ondergrond sinds de vroege middeleeuwen. Doel is inzicht te krijgen in de mate van invloed van de voordurende verandering van factoren zoals, zeespiegelstijging, klimaat en kustontwikkeling maar ook gevolgen van menselijk ingrijpen zoals inpoldering en landgebruik die geleid hebben tot de huidige zoet/zout verdeling. Dit leidt tot een verbeterd inzicht in de processen en stromingspatronen ten aanzien van verzilting op het beoogde polderniveau. Deze kennis is waardevol om te komen tot betere voorspellingen van de toekomstige ontwikkeling van de verzilting als gevolg van onder andere klimaatverandering en veranderend landgebruik.