Het volledige overzicht

Inleiding

Het grootste euvel is ongetwijfeld de diepte ontwatering, schrijven de bekende natuurbeschermers Koos van Zomeren en William Reppel al in 1980. Als h(x,y,t) de grondwaterspiegel is, dan is hmv(x,y,t) = h(x,y,t)-mv(x,y) de grondwaterspiegel ten opzichte van het maaiveld  mv(x,y), die waarde werd de diepte ontwatering genoemd. Dit was met name een probleem zodra hmv < g.l, omdat in dat geval het gewas g in het interval van verwelking g.{ll ... l} komt. Zandgrond vraagt om een laagste grondwaterstand l van -1.2m.

Om de wetenschappelijke methode toe te kunnen passen om het natuurdoel en/of een deel van de klimaatdoelstelling te kunnen realiseren, moet je vooraf kunnen beschikken over een criterium dat bepaalt of het doel ook echt gerealiseerd is. Dit is een existentieel probleem dat heel belangrijk is als je een correct Bewijs wilt geven dat het gewenste doel bereikt is.

1. K. van Zomeren en W. Reppel, De grote droogte in waterland, A.W. Bruna, ISBN 90 229 5269 X D/1980/0939/91

Natuurdoelstelling

De natuur is een autonome samenleving van genetisch materiaal uit de flora en de fauna, die in voortdurende interactie is met z'n omgeving, die op zich weer gegeven wordt door allerlei kenmerken die bepaald worden door de geologie, de hydrologie, het klimaat, de ligging en vorm kenmerken van het gebied etc. waarbij het geheel, zelfstandig een evenwicht heeft gevonden om optimaal te overleven, conform de theorie van Charles Darwin (1809-1882). In het Europese klimaat van het vaste land valt (met uitzondering van grote delen van Spanje en Portugal) altijd voldoende neerslag, waardoor een substantieel deel van de neerslag weer als kwel water uittreedt. Om die reden is de stikstof concentratie in de bodem zo belangrijk voor de realisatie van het natuurdoel.

Klimaatdoelstelling

Het was niet mijn bedoeling om een bijdrage aan de klimaatdoelstelling te leveren, maar toen ik zag hoeveel stikstof naar de bodem verloren ging, begreep ik meteen dat dit betekende dat de omzetting van koolzuurgas CO2 naar zuurstof O2 in de koolstof kringloop van het leven op aarde ernstig verstoord wordt als de gewassen het bemeste grondwater niet op kunnen nemen, als de grondwaterspiegel hmv < l. Iedereen dacht in termen van de uitstoot van het broeikasgas CO2, terwijl het verwijderen van CO2 juist een groot probleem is, als gevolg van stikstof verliezen naar de bodem.

De grootste uitstoter van CO2 in Nederland: Tata steel heeft recent 5,7 miljoen ton CO2 uitgestoten. Dit kan, elk jaar, voor 4,47 miljoen ton CO2 worden gecompenseerd door de drinkwatersector, indien deze sector gebruik gaat maken van schadevrije winvelden.

Depositie van stikstof

De ecologen van Wageningen Environmental Research, het PBL, en ecologen van andere universiteiten, willen het natuurdoel realiseren via een gijzeling van de rechtspraak, de maatschappelijke sectoren en het Kabinet Rutte III en Rutte IV, met als doel de natuur te herstellen. Dat willen ze doen door de depositie van stikstof te halveren. Het zal direct al blijken dat de natuur en het klimaat, zich niet kunnen herstellen als de depositie van stikstof wordt gehalveerd, gewoon omdat de mest verliezen naar de bodem, 204 / 2.7 = 75 keer groter zijn, terwijl het wel belangrijk is dat de mest verliezen naar de bodem klein zijn. Mest verliezen groot gemiddeld! 34% als in fig. 1, en in een bijzonder geval! 95% van de mestgift als in fig. 2, zijn al zo groot dat zal blijken dat het natuurdoel en het klimaatdoel beide niet realiseerbaar zijn.

In deze stikstof en fosfor balans, benoemen de opstellers, de ecologen van de WUR en de medewerkers van het PBL, de verlaging van de grondwaterspiegel tot buiten het interval van volledige assimilatie en gewasverdamping, niet als de oorzaak van onnodige mest verliezen naar de bodem, die optreden zodra voor de grondwaterstand ten opzichte van het maaiveld geldt  ll < hmv ≤ l. Bovendien wordt de Natuurlijke nitrificatie, waarbij bodembacteriën in natuurgebieden net zoveel mest aanmaken als in landbouwgebieden mag worden ingebracht, vergeten.

Hier zien we hoe belangrijk het is om het volledige overzicht over een probleemstelling te hebben.

In procenten van de mestgift

Het is niet handig om bij sterk niet-lineaire systemen, zomaar van allerlei zaken het gemiddelde te nemen. Om onderlinge orde groottes af te kunnen schatten heb ik een aantal waarden uit de stikstof en fosfor balans, in de tabel omgerekend, naar procenten van de mestgift.

Verlaging  grondwaterspiegel

Het is algemeen bekend dat de grondwaterspiegel wordt verlaagd door de winning van grondwater.

In het hoofdstuk hydrologie horizontaal! toon ik aan dat de verlaging van een winning (zie fig. 2c) de oneigenlijke som! is van een winningsverlaging! groot 0.2m, die ontstaat doordat er water wordt onttrokken aan de watervoerende laag, en een (optionele) transport verlaging! die wordt gebruikt om gradiënten in de grondwaterspiegel te vormen waardoor het grondwater naar centraal opgestelde pompput(ten) kan stromen, waar het debiet Q(t) gewonnen wordt. Bijvoorbeeld voor de verkoop van drinkwater aan klanten. Het is ook algemeen bekend dat je door grondwater te transporteren, het water nog niet hebt gewonnen, je zult het winbare deel van de neerslag Nwinbaar, moeten onttrekken aan de watervoerende laag. Bij die onttrekking ontstaat de winningsverlaging! die begrensd wordt door de effectieve winningsstraal R. Hoe dit precies werkt wordt beschreven in hydrologie horizontaal.

Dit is niet een klein detail, maar het geeft de mogelijkheid om winvelden te maken met een zeer kleine stationaire verlaging, die niet groter is dan 0.2m. Doordat zulke winvelden geen transporttrechter gebruiken, zal een transportrechter die nu al gevormd is, opgevuld worden waardoor uiteindelijk de zeespiegel zal dalen. Bij een verhouding van 21% land tot 79% zee lijkt dat weinig, maar uit de watersnoodramp van 1953 weten we dat water dat 0.2m boven het niveau van de dijk komt, in een dag een polder vol laat lopen, gewoon omdat het water over de volle lengte van alle dijken tegelijk binnen komt.

Het ontstaan van schade

Als de verlaging te groot wordt ontstaat er voor een gewas g, doordat het bijbehorende assimilatie predicaat niet meer voldaan wordt, schade aan het gewas g daarbij maakt het niet uit of het om een landbouwgebied of een natuurgebied gaat. Tevens heeft dit grote invloed op het klimaat, doordat de gewasverdamping uitvalt, net als de omzetting van het koolzuurgas CO2 naar zuurstof O2, waardoor het gewas ook niet meer groeit, zoals we kunnen zien in de standplaatsvergelijking van fig. 3.

Vanuit hurkzit, kon ik bij het maken van de foto, over het hele maisveld kijken. Probeer dat maar eens te doen als de mais volgroeid is!

Een mooie ¹presentatie over de koolstof kringloop en de stikstof kringloop, gaat uit van de veronderstelling dat er voor de realisatie van het natuurdoel en de klimaatdoelstellingen, altijd voldoende grondwater aanwezig is. De agrohydrologen van Alterra, die hun wettelijke taak om de compensatie vergoeding conform art. 7.18 waterwet te berekenen, serieus namen, berekenden de mest verliezen naar de bodem in procenten groot gemiddeld 34%. Daardoor wisten zij dat de veronderstelling dat de gewassen altijd over voldoende water kunnen beschikken vals was.

In een bijzonder geval, onder de invloed van een winveld, was die schade, in hetzelfde jaar onder overigens gelijke omstandigheden, 95%. Het is deze standplaatsvergelijking uit fig. 3, die voor elke leek duidelijk aantoont hoe belangrijk de aanwezigheid van voldoende bodemvocht is voor de groei van het gewas, en dus ook voor de opname van meststoffen. Als de mest in de bodem niet kan worden benut voor de groei van het gewas, dan ontstaan er mest verliezen naar de bodem, waardoor het natuurdoel en de klimaatdoelstellingen niet gerealiseerd kunnen worden.

1. Youtube: Biologie met Joost: VMBO 3 | Ecologie | Basisstof 3. Koolstofkringloop en stikstofkringloop | 8e editie.

Achtergrondverlaging

De drinkwatersector vond de mest verliezen naar de bodem ook zeer schadelijk, niet vanwege het natuurdoel of de klimaatdoelstellingen, maar vanwege de compensatie vergoedingen, die Alterra heel zorgvuldig bepaalde, die ze conform art. 7.18 waterwet, af moesten dragen aan de agrariërs, als zij hun hele (mais)oogst verloren zagen gaan.

Hydrologen hadden zich, voor een hydrologie horizontaal, aangeleerd om de verlaging van een winveld te berekenen met behulp van de transport formule van Dupuit.

Daardoor zou de integratie constante C = 0 moeten zijn. Maar de agrohydrologen van Alterra bepaalden de hoogte van de grondwaterspiegel door middel van meting, van de Gemiddeld {Hoogste, Laagste, Voorjaar} Grondwaterstand, afgekort als {GHG, GLG, GVG}. Het verschil, de winningsverlaging, werd al ¹in 1973 experimenteel bepaald.

Ik geeft aan hoe we een polynoom benadering van de winningsverlaging kunnen maken. Prof. C. Van den Akker, had heel duidelijk beschreven dat je geen grondwater kunt winnen door het met een zuiver horizontale stroming te transporteren, er moet ook rekening worden gehouden met een verticale stromingscomponent, omdat het winveld met areaal A met een debiet N A - Q wordt gevoed, met N de neerslag, Het netto effect is dat binnen de effectieve winningsstraal R de grondwateraanwas kleiner is dan in de ring tussen R en 2R, waar de neerslag modelmatig N A is. In het hoofdstuk hydrologie horizontaal wordt dit met meer detail beschreven.

1. G.W. Bloemen, De berekening met een waterbalansmodel van de daling van freatisch grondwater als gevolg van grondwater winning, ICW Nota 758, aug. 1973.

De alternatieve schade berekening

De realiseerbaarheid van het natuurdoel en de klimaatdoelstellingen waren al opgeofferd, maar ook de bedrijfszekerheid van de winvelden liet heel veel te wensen over door onnodige mest verliezen naar de bodem, op het moment dat de drinkwatersector de door de Alterra medewerkers, gemeten {GHG, GLG, GVG} waarden, ging verhogen met de door de drinkwatersector bepaalde achtergrondverlaging. Vervolgens gebruikte de drinkwatersector om de Alterra software met een onjuiste grondwaterspiegel hberekend(x,y,t) = hmv(x,y,t) + achtergrondverlaging, aan te sturen.

Een Alterra medewerker, die zich aangesproken voelde omdat Alterra niet goed gemeten zou hebben, probeerde zich het volledige overzicht over alle vakgebieden te verschaffen door met collega's mogelijke fouten op te sporen. Hij werd, werd ontslagen.

Zoeken naar nieuwe verdienmodellen

De drinkwatersector had intussen flink last van de mest verliezen naar de bodem, en men dacht dat de oorzaak te kennen. De melkveesector had na het opheffen van het melkquotum een opmerkelijke groei doorgemaakt, terwijl de drinkwatersector steeds meer last had om de rentabiliteit hoog te houden vanwege de mest. Op 8 dec. 2016, komt er wat meer duidelijkheid, de ecologen van de WUR waren op zoek gegaan naar nieuwe verdienmodellen. In die publicatie werd duidelijk gemaakt dat geld geen rol speelt en dat onderzoekers samen moeten werken om de doelen (de verdienmodellen) te realiseren.

Nieuw was dat men via de halvering van de depositie van stikstof wil komen tot (opnieuw) een reductie van de melkveestapel, terwijl de stikstof concentratie in de bodem, het deel van het actie programma van Mark Rutte, opgelost moest worden door invoering van de biologische landbouw. Er komt een Handboek Melkveehouderij 2019/20, met daarin de resultaten van het onderzoek, dat ik allang ken uit de Alterra tijd. In 2023, kan ik geen enkele naam van een mij bekende Alterra medewerker meer vinden op de website van de WUR, anders dan via een enkele oude publicatie.

Wie een puzzel op wil lossen, komt vaak problemen tegen, als niet alle aandacht wordt besteed aan het oplossen van de puzzel. Van universitair onderzoek wordt verwacht dat de onderzoekers zich niet laten leiden door verdienmodellen, maar bij het zien van de aankondiging vanuit de WUR, zien we dat daar de nadruk juist op ligt. Dat blijkt ook uit wordt aangekondigd en kijk naar de invloed van een de gijzeling, de daarop volgende implementatie, dan zie dan Dat was hier duidelijk niet het geval.

voor inconsistenties te staan kan dat doet er goed aan om op te schrijven

Wat er precies is gebeurd doet hier niet ter zake, maar een feit is dat de ecologen van de WUR met een publicatie naar buiten komen waarin zij aangeven op zoek te zijn naar nieuwe verdienmodellen. Vanaf 2023 kan ik geen namen meer vinden van Alterra medewerkers, die ik via hun publicaties heb leren kennen.

1. R. Bino, Op zoek naar nieuwe verdienmodellen. Research.

In een bijzonder geval, onder de invloed van een winveld, was die schade, in hetzelfde jaar onder overigens gelijke omstandigheden, 95%. Het is deze standplaatsvergelijking uit fig. 3, die laat zien hoe belangrijk de aanwezigheid van voldoende bodemvocht is voor de groei van het gewas, en dus ook voor de opname van meststoffen. Als de mest in de bodem niet kan worden benut voor de groei van het gewas, dan spoelt ze uit, waardoor het natuurdoel en de klimaatdoelstellingen niet gerealiseerd kunnen worden.

Deze waarneming uit fig. 3. toont ook aan dat  Daardoor wisten de agrohydrologen van Alterra, dat de veronderstelling van voldoende grondwater, vals is. Omdat de transportverlaging optioneel is kunnen we voor een hydrologie horizontaal winvelden maken met een winningsverlaging groot 0.2m. In fig. 2 laat ik zien dat De verlaging van een winning is voor een hydrologie horizontaal gelijk aan de oneigenlijke som! van de winningsverlaging! groot 0.2m, die ontstaat doordat er water wordt onttrokken aan de watervoerende laag, en de (optionele) transport verlaging!.

Dit had volgt uit feit dat de grondwaterspiegel, gemeten ten opzichte van het maaiveld voor een gewas g, in de loop der tijd, door het transport  al zover

die in grote delen van Frankrijk heeft geleid tot armoede en een grote leegloop van het platteland. In grote delen van Frankrijk gaat dit samen met busjes van de voedselbank die van het ene huis naar het andere rijden om de armoede op het platteland te bestrijden. Bovendien zijn er over de hele wereld in toenemende mate ^2,3problemen met de laatste druppel die uit de kraan komt. Er wordt op grote schaal verteld, dat dat de landbouw niet deugt, waardoor het klimaat en de ecologie verandert. Maar het ligt net even anders. Je ziet het niet, maar het gebeurt wel. Door onttrekking van grondwater, gaan meststoffen naar de bodem verloren, doordat de gewassen het bemeste grondwater als gevolg van de te lage grondwaterspiegel hmv (x,y,t), niet meer door assimilatie op kunnen nemen. Hierdoor wordt de stikstof concentratie in de bodem vele malen groter dan is toegestaan volgens de NL en EU normen.

Het vervelende is dat de drinkwatersector dat niet aan zag komen, doordat de bodemchemie in het kader van het Landelijk Meetnet Grondwaterkwaliteit niet rond de wortels werd gemeten, maar dieper in de watervoerende laag, mede omdat men wilde werken met een uniforme meettechniek. Al bij de introductie van het meetnet tussen 1977 en 1985 waren er problemen omdat de  vacuümtechniek die gebruikt werd om de monsters te nemen in Limburg en op de Veluwe al faalde vanwege een te grote doorgaande trend die was ontstaan als gevolg van eerdere onttrekkingen van grondwater, waardoor de grondwaterspiegel gemeten vanaf het maaiveld onbereikbaar war voor de wortels van de gewassen.

1. Youtube: Biologie met Joost: VMBO 3 | Ecologie | Basisstof 3. Koolstofkringloop en stikstofkringloop | 8e editie
2. De dag nadert dat er geen water meer uit de kraan komt.

De vochtkolom

De dikte d(h) van de waterfilm die zich met behulp van de polaire watermoleculen, hecht aan de zand of lösskorrels in de bodem speelt daarbij een belangrijke rol. Het begint met een stabiel maar heel dun laagje, dat steun vindt bij een steeds dikkere lager gelegen laag. Bij dat proces bestaat een hoogte hλ waarbij de dikte, als we vanuit de grondwaterspiegel h(x,y,t) omhoog gaan, steeds halveert. dit komt voor λ=½ overeen met de h½ waarde. De meetkundige reeks met rede ½ convergeert naar 1.

De waterkolom die de onverzadigde zone daardoor kan dragen heeft volgens dit model een hoogte evenredig met de porositeit x h½. Een veelvoorkomende waarde in zandgrond is ¹/3 x 0.25m = 0.083m. Dit is de totale hoeveelheid 'hangwater'. De Alterra groep van prof. R.A. Feddes gebruikte het begrip drukhoogte, dat we na het opheffen van Alterra, nog steeds terugvinden in het Handboek Melkveehouderij 2019/20. Daarbij komt een logaritmische verdeling op de as, die karakteristiek is voor een vaste factor over een afstand h½ ook voor. De drukhoogte ontstaat als de resultante van de adhesie kracht en de stapeling van het water dat door adhesie wordt gebonden in een relatief dunne laag. We kunnen deze krachten ontbinden in een horizontale component die afhangt van de adhesie een een verticale component die druk geeft als functie van de hoogte.

Waterkolom wordt assimilatie curve

De assimilatie curve van een gewas g, beschrijft de hoeveelheid bodemvocht dat een gewas g, op zal nemen als functie van de grondwaterstand hmv, terwijl de waterkolom de hoeveelheid ten opzichte van het maaiveld. die bepaald wordt uit de hoeveelheid vocht als functie van de hoogte boven de grondwaterspiegel, die exponentieel afneemt. Om de hoeveelheid opneembaar bemest vocht ten opzichte van de wortels van een gewas g met korte wortels, te kunnen bepalen, veranderen we de hoogte hmv van de grondwaterspiegel ten opzichte van het maaiveld.

Daarbij wordt de vochtkarateristiek van de bodem   in dit geval beschreven door de vochtkarakteristiek, als de meetkundige plaats, die in het interval van verwelking g.ll < hmv ≤ g.l, de mest verliezen naar de bodem beschrijft via een rechte lijn {g.ll, 100%} ... {g.l, 0%}. In dit interval wordt het gewas g, gevoed via de top van de waterkolom. Voor h < hmv ≤ hh, beschrijft de rechte lijn {g.h, 0%} ... {g.hh, 100%} de nat schade, die ontstaat doordat de grondwaterspiegel hmv zeer dicht bij het maaiveld komt, met name aardappels krijgen daar schade doordat hun wortels niet belucht worden en kunnen verrotten.

De lijn {g.l, 0%} ... {g.h, 0%} beschrijft het interval van volledige assimilatie en gewasverdamping, dat geheel schade vrij is. Door te werken met de boden specifieke hoogte b.hλ was het niet nodig om een overgang heen en terug te maken naar de logaritmische as van de vochtkarakteristiek.

Voor een gegeven gewas g, met een kort wortelgestel, zoals gras of heide, bepalen we de hoogte g.l waarop de wortels, die omgeven zijn door bemest bodemvocht, voldoende grondwater door assimilatie op kunnen nemen, voor de maximale groei van het gewas als functie van de grondwaterstand hmv ten opzichte van het maaiveld.

In het interval van volledige assimilatie en gewasverdamping,  van een gewas g, kan de waterkolom voor alle waarden g.l < hmv ≤ g.h,  voldoende water leveren voor de maximale groei van het gewas. Er bestaan gewassen zoals aardappels die in het interval van nat schade g.h < hmv ≤ g.hh schade oplopen doordat de wortels, en dus ook de wortel knollen van de aardappels, niet meer belucht worden worden en gaan rotten.

Bij de top van de waterkolom in het interval {3 h½ … 4 h½} reduceert de hoeveelheid vocht tot {1/8 ... 1/16}, waardoor de assimilatie al vanaf 3 h½ ... 4 h½ snel uitvalt, met verwelking van het gewas en schade in de vorm van mest verliezen naar de bodem tot gevolg.

Ik kies ervoor om de niet lineaire delen van een model zo eenvoudig mogelijk te maken, terwijl prof. R.A. Feddes probeerde om een zo groot mogelijk deel van het agrohydrologische model zo nauwkeurig mogelijk en veelomvattend te maken. Hij had immers het vertrouwen gekregen van de drinkwatersector, om de vergoeding die de agrariërs moesten krijgen als compensatie voor de mest verliezen naar de bodem, conform art. 7.18 waterwet, te berekenen. Dit heeft als effect dat ik me beperk tot het assimilatie predicaat waarvoor geldt dat g.l < hmv ≤ g.h moet zijn voor alle (x,y) en (t) in het winveld, opdat de groei van het gewas g ook voor alle (x,y) en (t) maximaal zal zijn. 

Op basis van het assimilatie predicaat ontwerp ik het best mogelijke winveld dat de eisen van het assimilatie predicaat voldoet.

De combinatie van een ontwerp eis, gecombineerd met het ontwerp van de probleem specifieke realisatie wordt in de elektrotechniek een synthese procedure genoemd.

Ik bespreek nu eerst de methode die prof. R.A. Feddes, en vele collega's van hem hebben gebruikt om de mest verliezen naar de bodem, c.q. de schade te bepalen.

Voordat een winveld wordt vergund wordt voor een hydrologie horizontaal de stationaire verlaging van de grondwaterspiegel berekend met bijvoorbeeld de transportformule van Dupuit.

die de verlaging van het winveld berekent.

In fig. 5. zien we hoe de variaties in de neerslag en met name ook de variatie van de gewasverdamping volgens Makking de grondwaterstand beïnvloeden. Daarbij moet opgeteld worden de verlaging van het winveld. Dit wordt gedaan door de Gemiddeld {Hoogste, Laagste en Voorjaars} Grondwaterstand eenmalig met een grondboor te bepalen.

Door nog uitsluitend met het assimilatie predicaat l < hmv ≤ h te werken en afstand te nemen van de {GHG, GLG, GVG} methodiek, kan ik het ontwerp van het winveld apart behandelen. Dat is om de volgende redenen erg belangrijk:

• Daardoor wordt het mogelijk een synthese techniek te gebruiken, waarbij in de eerste stap het probleem van de bodemchemie wordt opgelost met bestaande kennis.
• Dunne watervoerende lagen hebben een grote overeenkomst met halfgeleiders, daardoor zijn de Laplace Voorwaarden niet geldig en kunnen de extreem grote schades, tot 95% ontstaan als getoond in fig. 3.
• In de tweede stap is nog alle vrijheid om het ontwerp van een optimaal winveld nader uit te werken, eerst voor een hydrologie horizontaal, en later voor het wiskundig veel abstractere probleem van een hydrologie hellend.

Aanvullend maak ik gebruik van de rechte lijn tussen de schade coördinaten, (ll, 100%) en (l, 0%) om uit de gegeven hoogte hmv, de mest verliezen naar de bodem te bepalen van het gewas g als:

Swerkelijk(hmv)= 100% (g.l - hmv)/(g.l - g.ll)

Als gevolg van de werkelijke schade, die overeenkomt met de mest verliezen naar de bodem, worden de stikstof kringloop, de gewasverdamping en ook de omzetting van koolzuurgas CO2 naar zuurstof O2 onderbroken. Dit heeft zeer ernstige consequenties waardoor het klimaatdoel niet realiseerbaar is.

De alternatieve schade berekening

Voor de realisatie van de klimaatdoelstellingen en het natuurdoel moeten de gewassen volop kunnen groeien. Daarvoor is het nodig dat we de hoogte van de grondwaterspiegel hmv in het interval {l, h} goed, door meting bepalen.

In de praktijk werd er juist onvoldoende gemeten, maar werd de hoogte van de grondwaterspiegel hmv voor een willekeurige afstand tot de pompputten (r) bepaald voor het stationaire geval met behulp van de transport formule van Dupuit:

Prof. R.A. Feddes en zijn team hebben heel veel aandacht besteed aan het bepalen van het schade percentage als gevolg van verwelking dat overeenkomt met het percentage van de mest verliezen naar de bodem. Dat voor g.ll < hmv <= g.l gelijk is aan

Swerkelijk = 100% (g.l - hmv)/(g.l - g.ll).

Deze formule beschrijft de mest verliezen langs de rechte lijn in het interval van verwelking. In de software die de schade berekent, wordt het teeltseizoen dat 120 dagen lang is, verdeelt in intervallen van 10 dagen en wordt de groei van het gewas in elk interval gesommeerd. Terwijl er ook rekening wordt gehouden met de kracht van de zon als functie van de tijd. Op die manier kan een schade percentage van 36% ontstaan doordat de grondwaterspiegel voor een interval van verwelking van 0.25m langdurig een waarde van 36% van 0.25m = 0.09m onder de ondergrens g.l van het schadevrije interval heeft gestaan, of 36% van de tijd onder g.ll. In beide gevallen zijn de mest verliezen naar de bodem gelijk.

Als we een schadevrij winveld willen ontwerpen, zorgen we ervoor dat het assimilatie predicaat wordt voldaan, opdat de grondwaterspiegel zich uitsluitend zal bewegen in het interval van volledige assimilatie en gewasverdamping van het gewas g, waarvoor de groep van prof. R.A. Feddes gras heeft gekozen, om zo schade percentages te kunnen berekenen, en waardoor we nu ook winvelden kunnen ontwerpen, voor het algemene geval.

De schade functie die ik zojuist heb beschreven houdt ook rekening met de gelaagde structuur, in de eerste 2-2.5m van de bodem, doordat er door de groep van prof. R.A. Feddes een hele reeks bodemprofielen (De Staring reeks) is gemodelleerd, die ook zijn geijkt op de verzadiging van de groei die optreedt omdat de wortels een beperkte hoeveelheid mest kunnen aanvoeren, maar ook omdat de gewasverdamping niet boven een maximale waarde uitkomt, de Makkink gewasverdamping. Hierdoor kan elk gewas een maximale gewasopbrengst realiseren. Dit impliceert dat we mogen spreken over de werkelijke schade Swerkelijk (hmv), gegeven de model veronderstellingen die indertijd gehanteerd werden.

Bij fig. 2 geeft ik aan dat de stationaire verlaging de oneigenlijke som is van de winningsverlaging en de (optionele) transportverlaging. Ik noem dit met name een oneigenlijke som omdat de twee termen het resultaat zijn van één proces. Dat we hier te maken hebben met een oneigenlijke som zien we ook aan het feit dat de winningsverlaging niet optioneel is, en dat is ook goed te begrijpen, als je het grondwater niet wint, kun je het ook niet verkopen.... Dit komt erop neer dat we de transportformule van Dupuit niet zonder winningsverlaging, mogen gebruiken om de gemeten waarde hmv te bepalen.

In het hoofdstuk hydrologie horizontaal, geef ik aan hoe de transportformule van Dupuit uitgebreid kan worden met de winningsverlaging.

Als we die uitbreiding niet gebruiken en desondanks de formule van Dupuit gebruiken dan wordt er een door de hydrologen onbegrepen fout gemaakt die gelijk is aan de winningsverlaging van 0.2m voor horizontaal en 0.4m voor horizontaal en lensvormig, die ze de achtergrondverlaging, av noemen.

De hydrologen die in opdracht van de drinkwatersector werkten, gingen de achtergrondverlaging: av, die in beeld was gekomen door onzorgvuldig onderzoek van hun kant, optellen bij de GxG waarden, met als gevolg dat er voor alle (x,y) en (t) gewerkt werd met een grondwaterspiegel die 0.2m of 0.4m, of wat er ook gekozen was voor de achtergrondverlaging av, te hoog was.

Voor av = 0.2m en de lengte van het interval van verwelking = g.l - g.ll = 0.25m wordt de werkelijke schade 100% x 0.2/0.25 = 80% kleiner:

Sberekend = max (0, Swerkelijk - 80%)

Deze truc draagt niet bij aan de realisatie van het natuurdoel en ook niet aan de klimaatdoelstellingen. De enige die hier baat bij heeft is de drinkwatersector. Dat komt omdat de werkelijke schade, c..q. de mest verliezen naar de bodem, door de fout die de hydrologen hadden gemaakt, niet zal veranderen.

Hiermee is art. 7.18 waterwet, die de groei van de gewassen moest beschermen, door een financiële bijdrage van de drinkwatersector te vragen, opeens zo goed als uitgeschakeld.

De consequentie is ook dat er grote mest verliezen naar de bodem zullen ontstaan, die vragen om een extra, zeer kostbare zuiveringsinspanning, door de drinkwatersector, dat moet een tegenvaller zijn voor de drinkwatersector, die aan de politiek had gevraagd om de kwetsbare bronnen te beschermen. Zeker nu blijkt dat de politiek daar niet voor kan zorgen.

Het is de drinkwatersector zelf die het assimilatie predicaat moet voldoen, terwijl de agrariërs de bemesting voorwaarde moeten voldoen. Samen moeten de drinkwatersector en de agrariërs ervoor zorgen dat de stikstof norm voor de bodem gehaald wordt. Dit is een vorm van bedrijfsblindheid die extreem kostbaar kan zijn. Dat weten ze bij Philips Medical Systems, met hun debacle met de slaapapneu apparaten, maar al te goed.

Het existentiële probleem

Het is gebruikelijk om de vraag te stellen, wanneer het natuurdoel en/of de klimaatdoelstellingen, gerealiseerd zullen zijn. Zo'n criterium heeft ook altijd een belangrijke rol gespeeld bij de synthese van bijvoorbeeld passieve RC netwerken met 2 aansluitklemmen, (één poort netwerken) die met behulp van een Positief Reële Rationale functie beschreven worden. In dat geval wordt de graad van de gegeven functie door gebruik te maken van volledige inductie verlaagd, totdat een triviale laatste stap de synthese afsluit.

Dit criterium is abstracter als we de natuur willen herstellen. Dat komt omdat de uitgangssituatie complex is. Dit zien we terug in de volgende formulering: Waarbij het geheel, zelfstandig een evenwicht heeft gevonden om optimaal te overleven, conform de theorie van Charles Darwin. Die formulering is echter wel voldoende specifiek om het verslechteringsverbod met bijbehorende voorwaarden te kunnen verwerpen, omdat het niet bijdraagt aan de realisatie van het natuurdoel.

Ook willen we weten of de nul-toestand, met daarbij geteld de depositie van stikstof = 1/75 van de mestgift, het toelaat om de natuur te verbeteren. Bij geen van deze nadere analyses geef ik numerieke analyses, in plaats  daarvan gebruik ik formules om op het moment dat het belangrijk wordt, zinvolle afschattingen te kunnen maken op basis van een correct monitoring programma.

Om te beginnen is de stikstof depositie zo klein dat dit niet bepalend is of het natuurdoel gerealiseerd zal worden. Vervolgens zal ik de wetenschappelijke methode toepassen, die uitgaat van de vorm Gegeven, Gevraagd, Bewijs. In dit geval betreft het een constructief Bewijs dat de problematiek van de bodemchemie met bestaande kennis, door de grootst mogelijke winst op het gebied der hydrologie te realiseren, als beschreven in de hoofdstukken hydrologie horizontaal en hydrologie hellend waardoor oplossingen mogelijk worden gemaakt met een verlaging van 0.2m die ook deels gebaseerd zijn op infiltratie van grondwater bedoeld om een schadevrij winveld te kunnen maken. Daarbij los ik eerst het eenvoudige probleem op om vervolgens het veel abstractere probleem op te lossen.

Het oppervlak van de korrels, waar het polaire watermolecuul zich via adhesie aan hecht, is fenomenaal. Als we aannemen dat de korrels een diameter hebben van 1 mm dan is het oppervlak per m³ in de orde van grootte van 1000m² per m² oppervlak. Daarmee is het oppervlak per m³ waarmee de bodem ademt vergelijkbaar groot met het oppervlak van de menselijke long die veel kleiner is en op 70-100m² uitkomt.

Deze grote oppervlakken verklaren ook waarom lössgrond, met z'n kleinere korrels, van nature een vruchtbare bodemsoort is. Het fenomenaal grote oppervlak is van groot belang voor de natuurlijke nitrificatie in natuurgebieden.

Natuurlijke nitrificatie

Het enorm grote contactoppervlak tussen de waterfilm en de lucht maakt het voor bacteriën die zich in deze waterfilm bevinden, mogelijk om stikstof N2 uit de lucht om te zetten naar mest.

Eerst zet de cyaanbacterie het stikstof en waterstof gas uit de (bodem)lucht om in ammoniak NH3, deze overgang van de gas fase naar de vloeistoffase, noemen we de:

Stikstoffixatie

N2 + 3 H2 → 2 NH3

Vervolgens zet de nitrobacter de ammoniak om in mest: NOx- dit noemen we de:

Nitrificatie

2 NH3   + 3O2→ 2 NO2- + 2 H+ + 2 H2O

2 NO2- +  O2 → 2 NO3-

De twee chemische reacties produceren de mest NOx-, die in de vormen NO2- en NO3- stabiel in water voor kan komen.

Denitrificatie

Mest verliezen naar de bodem worden door denitrificerende bodembacteriën, vlak onder de onverzadigde zone, in de watervoerende laag afgebroken:

2NO3^- + 2CH2O + 2H⁺→ N2O + 2CO2 + 3H2O
                             2N2O → 2N2  + O2

Kristal heldere beekjes en vennen

Deze stelling is met name voor de realisatie van het natuur doel van groot belang in combinatie met het kwel predicaat, die het ontstaan van kristalheldere beekjes en vennen in natuurgebieden beschrijft, op plaatsen waar mest als residu overblijft. Merk op dat er geen kwel kan ontstaan op het hoogste punt van de grondwaterspiegel. Om die reden is er verschil tussen hoogveen een laagveen. Dit verschil is niet ontstaan nadat er heel kleine hoeveelheden stikstof via depositie op natuurgebieden neerdaalt. Het feit dat hoge venen andere eigenschappen hebben dat laagveen is al sinds 1551 bekend vanwege de eerste referentie naar de plaatsnaam Hoogeveen.

Vanwege de schaal ρ die karakteristiek is voor winvelden op dunne watervoerende lagen, zullen de stroomlijnen zich dynamisch aanpassen zodanig dat het grondwater de weg van de minste weerstand volgt.

De toestandsvariabele

Kennelijk is de grondwaterspiegel h(x,y,t) een variabele die de toestand van het hydrologische systeem beschrijft, waarbij de assimilatie curve via de schade functie S(hmv) het causale verband vastlegt tussen deze toestandsvariabele, uitgedrukt in de afstand tot het maaiveld, en bepalend is voor de mest verliezen naar de bodem. Het assimilatie predicaat legt met g.l < hmv <= g.h het schadevrije interval vast. Dit dient als de specificatie voor een schadevrij winveld.

Het schaal probleem

Een groot probleem in het vakgebied der hydrologie is dat dunne watervoerende lagen een sterk niet lineair gedrag vertonen, met heel veel overeenkomsten met het gedag van halfgeleiders. Dat gedrag ontstaat heel prominent als het debiet, Q(t) niet meer in balans is met het winbare deel van de neerslag Nwinbaar a met a het winveldje, met effective winningsstraal ρ ≈ 3D waarbij D de (genormeerde) dikte van de (mogelijk gelaagde) watervoerende laag is. Bij een grootschalig winveld met areaal A volgen de stroombanen een pad dat afhangt van de vraag naar grondwater Q bij de pompput(ten) en het gespreid vallende aanbod in de vorm van de neerslag Nwinbaar A. Dit evenwicht moet voor alle (x,y) in het winveld, in gelijke mate beschikbaar zijn om de mest verliezen naar de bodem te kunnen minimaliseren. Wie de winvelden wil beschermen, door de mest verliezen naar de bodem te minimaliseren, heeft geen baat bij de berekende schade, maar zal schade vrije winvelden moeten gaan gebruiken als in fig. 5b.

Natuurlijk gunt iedereen de drinkwatersector wel een passende winst, maar als door het gebruik van de berekende schade, het natuurdoel en de klimaatdoelstelling beide niet meer realiseerbaar zijn vanwege het feit dat iedereen denkt dat de schade 80% kleiner is geworden, dan weten we dat er fouten gemaakt worden. Het was prof. C. Van den Akker die erop had gewezen dat de 'achtergrondverlaging' feitelijk de winningsverlaging is, die niet optioneel is. Ik voeg daar hier aan toe dat de transportverlaging wel optioneel is, en in fig. 5b. zien we hoe we een winveld kunnen maken dat het debiet Q wint door naar 21 kleinere winveldjes over te gaan die elk een debiet q winnen via een verticale stroming. Feitelijk stroomt er niet zo erg veel verticaal, omdat in elk winveldje met areaal a, de winbare fractie van de neerslag q = Nwinbaar a, wordt opgepompt. Voor de details verwijs ik naar het hoofdstuk hydrologie horizontaal.

In de praktijk ontstaat een golfvoortplanting, naar de grotere schaal en ook weer terug. Als het debiet Q plotseling veel groter wordt, zal de grondwaterspiegel vlak bij de pompput, relatief snel overgaan naar de stationaire oplossing die bij het grotere debiet hoort, maar de effectieve winningsstraal zal in eerste instantie beperkt blijven tot de schaal ρ ≈ 3D van het winveld A met een dikte D. Dit komt omdat de stroombanen in het dynamische geval heel snel van richting zullen veranderen. Vooral bij de pompput zal dit een erg sterk effect hebben. Merk op dat de gradient in de grondwaterspiegel met een paarse kleurnuance veel groter is dan de gradiënten van de omhullende grondwaterspiegels die horen bij de stationaire oplossingen. Door deze onderlinge beïnvloeding, wordt de golfvoortplanting versterkt, c.q versneld, met als effect dat grote schades (tot 95%) kunnen ontstaan in grote delen van een winveld, als getoond in fig. 3b.

In procenten van de mestgift

Het is niet handig om bij sterk niet-lineaire systemen, zomaar van allerlei zaken het gemiddelde te nemen. Om onderlinge orde groottes af te kunnen schatten heb ik een aantal waarden uit de stikstof en fosfor balans, in de tabel omgerekend, naar procenten van de mestgift.