Beekdalen als drainage en afwateringssysteem van de hogere zandgronden

Nederland heeft een gematigd zeeklimaat met een jaarlijks neerslagoverschot (neerslag minus werkelijke verdamping). Hydrologisch bezien zijn beekdalen laagten die de hogere gebieden van Nederland ontwateren en het neerslagoverschot

vervolgens afvoeren. Beekdalen staan daardoor altijd onder invloed van grondwater. De grondwaterstand zit dicht aan of rond maaiveld en op veel plaatsen is er sprake van kwel. Door het geringe verhang van de Nederlandse beekdalen treden in natte perioden inundaties op, zowel van oppervlaktewater dat van elders wordt

aangevoerd, als van regenwater en grondwater dat ter plekke exfiltreert.

Door de grote infiltratiecapaciteit van de bodem infiltreert de meeste neerslag op de hoger gelegen gronden tussen de beekdalen. Het geïnfiltreerde water dat niet wordt gebruikt door planten voor transpiratie, de grondwateraanvulling, stroomt vervolgens ondergronds af naar het ontwateringstelsel. Afvoer van neerslagwater over maaiveld (surface runoff, oppervlakteafvoer) treedt in het laagland alleen op over korte

afstanden bij hevige buien en bodems met een lage infiltratiecapaciteit of op bodems met een ondiepe grondwaterstand. In laagten wordt het water tijdelijk geborgen waarna het alsnog de grond indringt. In hellende gebieden met een slecht-

doorlatende ondergrond of bodem (steile delen van stuwwallen met leem, heuvelland met lössdek) kan in natte perioden wel over grotere afstanden oppervlakteafvoer optreden. Hierdoor zijn in deze gebieden erosiegeulen en beken ontstaan. De Vries (1976) neemt aan dat na de laatste ijstijd het drainagesysteem van de hogere gronden zich dusdanig heeft ontwikkeld dat het in staat was het toen heersende

neerslagoverschot grotendeels als grondwater af te voeren.

Tegenwoordig zijn de meeste beekdalen en hun omringende plateau’s intensief en diep ontwaterd zodat de neerslag goed kan infiltreren en oppervlakteafvoer slechts beperkt optreedt. Substantiële afvoer van water over maaiveld treedt alleen op in hellende gebieden met een slecht-doorlatende bodem van klei of leem. Voorbeelden hiervan zijn de lössgronden in het heuvelland en gebieden met ondiepe voorkomens van tertiaire kleien in het oosten van Nederland. Daarnaast is ook de grondbewerking van invloed, bij kale grond kan na ploegen de infiltratiecapaciteit sterk afnemen door verslemping en leiden tot een sterke toename van oppervlakteafvoer. Voor de grootschalige artificiële ontwateringen, zullen er meer natte gebieden zijn geweest, zoals venen en moerassen, met een grondwaterstand nabij maaiveld. In zulke natte situaties kan weinig water in de bodem worden geborgen. Bij hevige regen kwam dan een deel van de neerslag over grotere afstanden over maaiveld tot afstroming door moerassen en venen. Over de exacte invloed van de ruwheid van bodemoppervlak en vegetatie en fijnschalig reliëf op de afstromingpatronen over maaiveld in zulke situaties is echter nog weinig bekend.

In de hogere zandgronden met weinig reliëf hebben beekdalen zich als volgt

ontwikkeld (naar De Vries 1976). De helling van dit gebied bedraagt ca. 1:2.000 en na de laatste ijstijd (Weichselien) bestond de primaire drainage uit het aangrenzende Holocene gebied, de grote rivieren en enkele oerstroomdalen. Dit primaire

drainagestelsel was in het nattere Holoceen (meer neerslag dan in Weichselien) niet voldoende om het neerslagoverschot als grondwater af te voeren. Hierdoor, en ook door zeespiegelrijzing, bolde de grondwaterstand op en ontwikkelde zich op de hogere zandgronden venen, moerassen en een fijnmaziger secundair drainagestelsel. Dit drainagestelsel bestond uit beken en laagten met afvoer over maaiveld.

Ontginning door de mens heeft er voor gezorgd dat het secundaire

ontwateringstelsel verder is ontwikkeld als een uitgebreid slootstelsel. Ook zijn veel ‘beken’ aangelegd, door lokale laagten met elkaar te verbinden. De toename van de ontwatering door de mens heeft gezorgd dat de drainagecapaciteit is verhoogd naar een maximum van ca. 12 mm/d. De dichtheid van het drainagestelsel is zowel gerelateerd aan de grondwaterstand ten opzichte van maaiveld (hoe hoger, des te

Directie Kennis 45 korter de slootafstand) als aan het doorlaatvermogen van het watervoerende pakket (hoe beter doorlatend en dikker het pakket, des te groter de slootafstand).

Afwatering en ontwatering

Bij beschouwing van de waterhuishouding is het van belang onderscheid te maken in afwatering en ontwatering. Afwatering is de afvoer van oppervlaktewater.

Ontwatering is de afvoer van grondwater door drainage. Ontwatering die door de mens is aangelegd beoogd een bepaalde drooglegging van de bodem

(grondwaterstand ten opzichte van maaiveld). 4.2.2 Grondwaterstroming en -systemen

Grondwater stroomt van hoger gelegen infiltratiegebieden naar kwelgebieden. Het infiltratiegebied van een kwelgebied wordt ook intrekgebied genoemd. In de niet hellende delen van de hogere zandgronden worden beken, sloten en andere

ontwatering voornamelijk gevoed door kwel van grondwater. De hoeveelheid kwel in een beekdal en het daarmee verbonden ontwateringstelsel wordt bepaald door de grondwateraanvulling in de infiltratiegebieden. De grondwateraanvulling is de neerslaghoeveelheid minus de werkelijke verdamping (slecht vertaald uit het Engels ook vaak aangegeven als ‘actuele verdamping’) en minus de oppervlakteafvoer, als die aanwezig is. De werkelijke verdamping wordt in sterke mate bepaald door de vegetatie, maar ook door bodemeigenschappen. Dichte opstanden van naaldbomen als Douglas en Fijnspar verdampen veel, ongeveer 650 mm/jaar, vooral in de vorm van interceptie. Dat is de hoeveelheid regenwater dat op de vegetatie blijft zitten en van daaruit weer verdampt. Een vegetatie met veel kale grond verdampt echter relatief weinig. De verdamping van kale grond bedraagt namelijk maar ongeveer 200

mm/jaar. Met een gemiddelde neerslag in Nederland van circa 800 mm/jaar bedraagt dan de grondwateraanvulling onder een Douglasbos 150 mm/jaar en onder een kale zandgrond 600 mm/jaar. Voor de grondwateraanvulling en dus ook het beekdebiet betekent dit per hectare omgerekend een bijdrage van respectievelijk 0,05 en 0,19 l/s. De afvoer van oppervlaktewater over maaiveld wordt bepaald door de

infiltratiecapaciteit en de diepte van de grondwaterstand ten opzichte van maaiveld. Hoe kleiner de infiltratiecapaciteit en hoe ondieper de grondwaterstand, des te meer oppervlakteafvoer zal optreden. Ondiepe freatische standen zorgen voor een kleine bergingcapaciteit van neerslagwater in de bodem. Dit komt tot uitdrukking in de normen voor de maatgevende afvoer, zoals vastgelegd in het Cultuurtechnisch Vadamecum: hoe ondieper de grondwaterstand ten opzichte van maaiveld is, hoe hoger de maatgevende afvoer is. De maatgevende afvoer is de afvoer die één á twee keer per jaar wordt overschreden.

Grondwaterstromingstelsels (grondwatersystemen) transporteren grondwater van infiltratie- naar kwelgebieden. Meerdere grondwaterstromingstelsels kunnen genest in elkaar voorkomen (zie figuur 2). Het voorkomen van grondwatersystemen wordt bepaald door het reliëf en de opbouw van de ondergrond met watervoerende pakketten en slecht-doorlatende lagen. Grondwatersystemen waar het infiltratie- en kwelgebied aan elkaar grenst zijn 1e _{orde systemen. Wanneer deze een kleine omvang}

hebben worden ze ook wel betiteld als lokale grondwatersystemen. Naar mate er meer lokaal reliëf aanwezig is, met laagtes die zorgen voor drainage, komen meer lokale grondwatersystemen voor. Grondwatersystemen waarvan het kwel- en

infiltratiegebied door één of meerdere andere grondwatersystemen wordt gescheiden zijn 2e_{- en hogere-orde-grondwatersystemen. Een hoger-orde-grondwatersysteem en}

een grondwaterstelsel dat zich over een groot gebied uitstrekt (afstand tussen kwel- en infiltratie gebied meerdere km’s) wordt dat vaak aangeduid als een regionaal grondwatersysteem. Het voorkomen van regionale grondwatersystemen hangt samen met het regionale reliëf. De verblijftijden van het grondwater in grondwatersystemen (tijd tussen infiltratie en kwel) variëren sterk van meestal enkele jaren (lokaal

grondwatersysteem) tot eeuwen en ouder (regionaal grondwatersysteem). In

beekdalen zijn zowel lokale als regionale grondwatersystemen van belang voor natte ecosystemen.

46 Directie Kennis Figuur 2: grondwatersystemen in beekdalen in relatie tot reliëf. De twee beekdalen

draineren 1e orde, lokale grondwatersystemen en het rivierdal twee hoger orde, regionale grondwatersystemen en een 1e orde 1e orde, lokaal grondwatersysteem naar Klijn & Witte 1999” .

De snelheid waarmee de grondwaterstand en de beekafvoer reageren op het weer, wordt vooral bepaald door de weerstand tegen stroming van infiltratiegebied naar kwelgebied. De weerstand is hoger bij een kleiner doorlaatvermogen (is dikte maal doorlatendheid van het doorstroomde pakket) en bij een grotere afstand tussen de beken. Grondwatersystemen met een grote weerstand (zoals de Veluwe) hebben een trage respons. Zulke systemen verzorgen dan ook een continue voeding van

kwelgebieden, sloten en beken. Vaak zijn dit grote grondwatersystemen. Kleine grondwatersystemen en gebieden met zeer goed doorlatend materiaal (grof zand, grind) reageren snel op het weer en de afvoerdynamiek van de beken is daar dan ook groot. In neerslagarme perioden kunnen sloten en beken dan zelfs droogvallen. De chemische samenstelling van het grondwater wordt bepaald door de kwaliteit van het wegzijgende neerslag- en bodemwater (atmosferische depositie, bemesting, CO2-

afgifte door wortels) en de geochemische eigenschappen van watervoerende pakketten en slecht-doorlatende lagen (o.a. kalk en ijzerverbindingen). Hierdoor varieert het naar beekdalen toestromende grondwater sterk in chemische

samenstelling (basenrijkdom, nutriëntengehalten, redoxtoestand) (zie figuur 3). Vaak verschilt de grondwaterkwaliteit van het toestromende grondwater tussen

verschillende grondwatersystemen. Binnen een grondwatersysteem kunnen echter ook grote verschillen in chemische samenstelling aanwezig zijn door chemische omzetting en uitwisselingsprocessen. In veel beekdalen in zandgebieden met een sterk uitgeloogd freatisch pakket zijn de lokale grondwatersystemen vaak basenarmer dan de grotere grondwatersystemen. Hierop zijn echter veel uitzonderingen; vaak zijn ook lokale grondwatersystemen basenrijk door het ondiep voorkomen van kalk in de ondergrond. De verblijftijd van grondwater in grondwatersystemen is geen causale factor voor de chemische samenstelling van grondwater in kwelgebieden. De

ouderdom van grondwater is in Nederland wel gekoppeld aan de mate van belasting door bemesting en atmosferische depositie in het intrekgebied. Grondwater ouder dan ca. 50 jaar is niet of veel minder vermest en beïnvloed door atmosferische zuurdepositie dan jonger grondwater dat is geïnfiltreerd ten tijde van zware bemesting in landbouwgebied en ten tijde van sterke zuur- en stikstofdepositie (zie paragraaf 7.3.2).

Directie Kennis 47 25 23 24 21 22 20 19 18 25 m Textuur bodem

zeer zacht - zacht

hard - zeer hard en hoog Cl-gehalte hard - zeer hard en laag Cl-gehalte matig hard Chemische watertype A A’ P14 B15 B13/P12 Kampbeek B6 P8 B9 B10 Dinkel Beugelskamp

peilcomp II peilcomp III

24 peilcomp III 31 30 b a a b a b grof zand leem lemig zand zandige leem fijn zand moerige laag bpeilbuisfilter F1 CaHCO3 F2 CaHCO3 F2 CaHCO3 F2 CaHCO3 F2 CaHCO3 g* CaMIX g2 CaHCO3 F1 NaMIX g0 CaHCO3 F* CaCl Stuyfzand-watertype F2 CaMIX g* NaMIX F0 CaCl g* CaMIX grond- water- stand geinterpoleerde waterstand opper- vlakte- water- stand datum 29-12-2003 13-8-2003 28-3-2003 10-1-2003 Waterstanden

Figuur 3: Patronen in grondwaterkwaliteit in een beekdal.Dit voorbeeld toont De Mors en Voele Broek op het landgoed Singraven bij de Dinkel (uit Aggenbach, 2005). Het beekdal staat onder invloed van toestroming van geïnfiltreerd water van de Dinkel (paars), basenrijk grondwater vanuit de stuwwal(blauw) en basenarm grondwater (geel).

4.2.3 Grondwaterstandsdynamiek

Door een lage verdamping in de winter en hoge verdamping in de zomer vertoont het grondwaterregime een seizoensmatige fluctuatie: hoge standen in de winter en het voorjaar en lage standen in de nazomer en vroege najaar. In infiltratiegebieden is deze seizoensmatige fluctuatie sterker dan in de kwelgebieden van beekdalen. In delen met sterke kwel wordt de seizoensfluctuatie in meer of mindere mate gedempt omdat het verlies aan bodemwater wordt gecompenseerd door de aanvoer van grondwater. Op dwarsgradiënten in beekdalen neemt de seizoensfluctuatie van de grondwaterstand meestal van laag naar hoog toe. In de zomer zakt het grondwater uit naar een regionale drainagebasis die bepaald wordt door het beekpeil en door andere diepe ontwatering of de aanwezigheid van een intensief drainagestelsel op regionale schaal. In de winter en het voorjaar, wanneer lokale drainage optreedt, ligt het drainageniveau dicht bij het maaiveld. Dit is vooral het geval in gebieden met een minder goed doorlatend freatisch pakket. Ingrepen in de lokale ontwatering

beïnvloeden vooral de hoogste grondwaterstanden. Ingrepen in diepere ont- en afwateringsmiddelen of ingrepen in de waterhuishouding op een bovenlokale schaal beïnvloeden vooral de laagste grondwaterstanden. Veel beekdalgebieden hebben langdurig snel en diep wegzakkende grondwaterstanden als gevolg van een laag regionaal drainageniveau. Grondwateronttrekkingen kunnen een soortgelijk effect hebben.

Kwel van grondwater is het naar boven stromen van grondwater en afvoer van dat grondwater uit de bodem. Kwel treedt op door het uitreden van grondwater aan maaiveld van percelen of in ontwateringsmiddelen. Kwel kan ook optreden bij grondwaterstanden onder maaiveld, zolang het kwelwater wordt afgevoerd door verdamping. Planten voeren ook grondwater af door opname van grondwater dat capillair wordt aangevuld naar de wortelzone. Voorwaarde is dat de grondwaterstand zo hoog is dat capillaire nalevering kan optreden. In kwelgebieden kan permanent of

48 Directie Kennis periodiek kwel optreden. Kweldynamiek is een kwestie van grondwateraanvulling en

weerstand in de ondergrond van het grondwatersysteem. Meer aanvulling van grondwater en meer weerstand geeft een meer constante kwelflux. Weinig grondwateraanvulling en een kleine weerstand geeft meer fluctuatie in kwelflux. Seizoensfluctuatie van de grondwaterstand in kwelgebieden kan ook zorgen voor een sterke dynamiek van basenarm water (geïnfiltreerd regenwater) boven op basenrijk grondwater (aangevoerd door het grondwatersysteem).