Wetenschap is een puzzel

Prof. D. Lohse beschrijft de problematiek van het wetenschappelijk onderzoek: ¹Wetenschap is een puzzel, maar dan een complexe. Je hebt nog lang niet alle stukken op tafel en de stukken die je hebt kunnen vals zijn omdat ze gebaseerd zijn op verkeerde metingen of berekeningen… Je ziet de oplossing van de puzzel pas als je het volledige overzicht hebt… Hard en georganiseerd werken ligt ten grondslag aan de oplossing van een buitengewoon probleem. Talent is niet genoeg. 

1. D. Lohse, Kijk, luister, en sta open, Campus 1, Mei 2020.

Wie gebruik maakt van een duidelijke en consequent doorgevoerde naamgeving, en z'n doelen goed omschrijft, kan wetenschappelijk onderzoek met veel plezier en gemak vormgeven, óók als meerdere wetenschappelijke vakgebieden samenkomen in één probleem.

Hydrologen zijn zich nooit bewust geweest van het feit dat de Laplace voorwaarden, die veronderstellen dat het onderliggende systeem: lineair, plaats (x,y) en tijd (t) invariant en stabiel is, niet geldig zijn bij winning op een groter schaal R, met R > ρ, waarbij ρ ≈ 3D, de schaal is van het systeem van watervoerede lagen, waarbij D de effectieve dikte van dit systeem is.

In plaats daarvan gedraagt de watervoerende laag zich als een halfgeleider, waarvan iedereen bepaalde eigenschappen goed kent:

• Een megafoon werkt niet, als je niet op het knopje drukt.
• Met een mobile telefoon kun niet bellen als de accu leeg is.

Karakteristiek bij beide voorbeelden is de aanvoer van energie, waarbij een passief systeem, een overgang maakt naar een actief systeem. In de hydrologie is het de neerslag die het systeem voedt, maar aan de neerslag zit geen knopje. Dat maakt het ook in de hydrologie mogelijk dat er een versterking op kan treden. Dit werd zo vreemd gevonden dat een onderzoeker, die op het punt stond om een grote ontdekking te doen, werd ontslagen. Het zal blijken dat het dilettantisme door dit soort acties, een nog steviger greep heeft gekregen op het vakgebied der hydrologie, met als gevolg dat het klimaat probleem nagenoeg niet meer oplosbaar is.

Merk op dat een watervoerende laag weerstand en berging biedt, maar ook een potentiaalveld opspant, net als een halfgeleider. Anderzijds worden de differentiaal vergelijkingen, gebruikt om grondwaterformules af te leiden alle opgesteld met behulp van de Laplace voorwaarden.

Vanwege die fundamentele verschillen mogen grondwaterformules en de tijdreeksanalyse, de belangrijkste gereedschappen van de hydroloog, niet toegepast worden om grootschalige water winvelden te ontwerpen. De implicatie daarvan is dat een geheel andere manier van denken nodig is om winvelden te ontwerpen waarbij de hoogte van de grondwaterspiegel, voor alle (x,y) en (t) niet, of nauwelijks verandert, als gevolg van winning van water. Het is belangrijk om met een gecoördineerde actie zo snel mogelijk hoogkwalitatieve water winvelden mogelijk te maken. Dat kan het beste door het intellectuele eigendom op een passende manier te  beschermen.

1. Klemes, V., 1986. Dilettantism in hydrology. Water Resources Research, vol. 22, nr. 9, p. 177-188

Winvelden met dit soort verrassingen kwamen steeds vaker voor, maar er was geen hydroloog die wist wat er gedaan moest worden.

Bij praktische toepassingen zijn we geïnteresseerd in het gelijktijdige effect van

1. hoogkwalitatieve winvelden en
2. de depositie van stikstof.

Omdat de stikstofdepositie geen invloed heeft op 1. is het totale resultaat te berekenen uit 1. en 2. Daarom spelen Kritische Depositie Waarden, geen enkele rol bij het herstel van natuurgebieden. Dat wil zeggen dat het hoogveen en het laagveen in verhouding dezelfde eigenschappen blijven houden. Ik vind het aanmatigend om te zeggen dat laagveen betere eigenschappen heeft dan hoogveen, maar als er sprake is van een assimilatie verlies van 95%, dan valt dat wel op, omdat gewassen, c.q. planten daar veel last van hebben. Dit resultaat is in overeenstemming met de al lang bekende OBD lesstof van de natuur verenigingen, waar ik nu helaas niet meer naar kan verwijzen.

Stroothuizen opnieuw hersteld

Het oostelijke gedeelte van Twente wordt doorsneden door de Dinkel. Dit riviertje drukt zulk een bijzonder stempel op het landschap, dat de naam "Het land van de Dinkel" [1] ten volle gerechtvaardigd is.

Zo begint Willem H. Dingeldein z'n prachtige boek dat vanwege de grote vraag, in maar liefst in 3 drukken is uitgegeven.

De derde druk bevat bovendien een plan om het natuurgebied Stroothuizen, een natte Twentse Heide, in de omgeving van Denekamp (nu Dinkelland), te herstellen. Marjon de Boo [2] heeft deze werkzaamheden uit 1960 in 1996 in detail beschreven in een mooi boek, Uitgegeven door: VEWIN, WMO, en Groep Midden Betuwe, in samenwerking met Kiwa NV.

De Waterleiding Maatschappij Overijssel (WMO), had rond 1960, toen er nog niets bekend was over dilettantisme, een winning van drinkwater gerealiseerd aan de Rodenmorsweg.

1. M. de Boo, Luisteren naar het Landschap, Het herstel van een natte Twentse Heide.
   

Nu heeft nagenoeg elk huishouden een Slimme Elektriciteitsmeter, dit impliceert dat hoogkwalitatieve, op AI gebaseerde winvelden, al enige tijd goed realiseerbaar zijn. Als zulke winvelden op industriële schaal geproduceerd worden, zullen de gehate compensatie vergoedingen, met bijbehorende mest verliezen, snel tot het verleden horen.

Het betreft hier het natuurgebiedje Stroothuizen, in de omgeving van Dinkelland. De drinkwaterwinning ligt op een maaiveld hoogte bij de drain aan de Rodenmorsweg op 24m als aangegeven in de afbeelding, tegenover de Riool Water Zuiveringsinstallatie (RWZI). Het natuurgebied Stroothuizen is de source, gelegen op 27m. In zo'n geval ontstaat een doorgaande trend en vaak ook een onverwachte instabiliteit, net als in Manderveen.

Aan de schets van het winveld, zijn cirkels toegevoegd met een radius ρ ≈ 3D, die maatgevend is, voor de schaal ρ van het winveld met een watervoerende laag met een effectieve dikte D. Door het aantal cirkels te tellen krijgen we een indruk van de maximale versterking van de onbalans tussen aanvoer van hemelwater en de vraag naar drinkwater. Ik heb ook nagedacht over een sloten patroon (blauw) dat vanuit het omleidingskanaal, water aan zou kunnen voeren, maar bij het zien van de balgstuw bij het begin van het omleidingskanaal en de grote stuw stroomopwaarts vanaf Stroothuizen, was het al snel duidelijk dat een betrouwbare aanvoer van water langs die weg geen optie zou zijn, bovendien loopt de Dinkel door Lage in Duitsland en de Duitsers hebben met Nederland afspraken gemaakt over de levering van een minimaal debiet water via het omleidingskanaal.

Het is echter helemaal niet nodig om de biotoop van de natte Twentse Heide, te herstellen, mits het waterleiding bedrijf altijd gebruik maakt van een winveld gebaseerd op AI.

Let echter op, in de 60-er jaren van de vorige eeuw was een op AI gebaseerde waterwinning geen optie, omdat de grootste computers, mainframes waren van IBM waren met geheugens van 1M Bytes. De programma's moesten met grote dozen met ponskaarten geprogrammeerd worden in Cobol, Algol, of PL1. De bekende hydroloog van de TU Delft, prof. C. Van den Akker weet daar nog alles van. Alle apparatuur was opgesteld in grote computercentra.

De compensatie vergoeding

Agrariërs moeten de komst van een water winveld gedogen. In ruil daarvoor moeten de waterleidingbedrijven volgens art. 7.18 waterwet, een compensatie vergoeding afdragen, ter grootte van het assimilatie verlies genormeerd op de gewasopbrengst van het perceel. Dit is een faire, procedure. Het enige bezwaar is dat die vergoedingen zeer kostbaar kunnen zijn voor een waterleidingbedrijf. Een winveld gebaseerd op AI zorgt ervoor dat niet alleen de compensatie vergoeding naar nul-gaat, maar ook de (mest) verliezen naar de bodem, waardoor het waterleidingbedrijf zeer goedkoop kristalhelder water kan winnen, ook als er in het verleden al een doorgaande trend was ontstaan. Het kan echter wel enige jaren duren voordat de grondwaterspiegel weer geheel hersteld is. In polder gebieden is men vaak aangewezen op de bemaling van de polder om osmose verliezen te voorkomen.

Natuurbescherming

In het boek dat Marjon de Boo geschreven heeft, is ook opgenomen de toenmalige zienswijze van de Waterleiding Maatschappij Overijssel WMO: (nu Vitens).

Er is, doordat men zich niet de vraag stelde hoe het kon dat planten / gewassen groeien, de indruk ontstaan dat een waterwin veld goed beschermd zal worden, door met natuurbeschermingsorganisaties, goede contacten te onderhouden. In het hoofdstuk assimilatie zal blijken dat die opvatting naïef is en het dilettantisme heeft gevoed, waardoor het belang van de waterleidingbedrijven zelf, de biotoop, het klimaat, en de beheersing van extreem weer op ongekende wijze is geschaad en het dilettantisme nooit zal verdwijnen.

Men ging grondeigenaren zoals het Overijssels Landschap of Staatsbosbeheer blindelings vertrouwen. Daardoor werd de oorzaak van de respons van het hydrologisch systeem onvoldoende in detail bestudeerd.

"Uneken: Binnen WMO ging het idee leven dat als je van de andere partij hun problemen beschouwt als reële problemen, terwijl zij op hun beurt ook jouw problemen onderkennen, dan kom je samen veel verder dan wanneer je elkaar als opponent beschouwd. Dit inzicht heeft ons een heel eind verder gebracht."

Het waterleidingbedrijf moet echter, in natuur, landbouw en stedelijk gebied een winveld realiseren dat voldoet aan de eisen die het assimilatie predicaat stelt. Doordat de groei in een gematigd klimaat, in het teeltseizoen gerealiseerd wordt zal de grondwaterspiegel in de jaarcyclus op en neer gaan als gevolg van het proces van assimilatie met bijbehorende gewasverdamping.

Omdat er in het teeltseizoen meer water nodig is om de gewassen te laten groeien, moet deze bij winning zo min mogelijk verlaagd worden. Als je niet alleen water wegneemt, maar ook vasthoudt, kun je de de natuur blijvend herstellen. Om dat doel te bereiken is het niet nodig om grond af te graven, leem aan te voeren of de landbouw te extensiveren.

Deze eenvoudige regels zijn typisch voor een wetenschappelijke aanpak, en de realisatie ervan vergt vakkennis, en het heeft niets van doen met het wel of niet vertrouwen van natuurbeschermingsorganisaties.

Hiermee zijn de belangrijkste puzzelstukjes, alle op tafel gekomen, waardoor we weten wat de huidige stand van de wetenschap is. Daarbij heb ik me met opzet beperkt tot de hoofdlijnen. Om te kunnen begrijpen hoe alles met elkaar samenhangt, verdeel ik het Nederlandse jaargemiddelde van de neerslag Ngemiddeld met een waarde van 0.8 m/jaar, in 3 gelijke delen, en gebruik ik een porositeit van de bodem van 1/3 in alle voorbeelden. Dit geeft:

N{winbaar, assimilatie, kwel} = {0.8, 0.8, 0.8}.

Bovendien reken ik met een gewonnen debiet Q = N A met A het areaal van het winveld. De Wageningen Universiteit wil de problemen van de waterleidingbedrijven oplossen met allerlei aanvullende om water vast te houden, die redelijk goed werken bij het kweken van potplanten, zoals het inbrengen van champignon aarde om water vast te houden. Dat werkt nauwelijks bij een bestaande bodem, omdat we willen dat het totaal beschikbare porie volume groter wordt, om extra water te kunnen bergen.