De basis van de modelberekeningen zijn de gehalten van zware metalen in de bodem. Veran- deringen in het gehalte in de bodem vinden plaats door zowel aanvoer als afvoer van meta- len.
De aanvoer van zware metalen naast de aanvoer door het opbrengen van bagger vindt voor- namelijk plaats door aanwending van (kunst- en dierlijke) mest, en daarnaast door het ge- bruik van andere organische bodemverbeteraars en atmosferische depositie. Afvoer van me- talen uit de bodem vindt voornamelijk plaats via gewasopname. Andere afvoerroutes zoals oppervlakkige afstroming zijn in de berekeningen niet meegenomen.
Uit de som van aanvoer en afvoer en transport door bodemwater volgt een verandering in het gehalte in de bodem. Deze kan zowel positief zijn (stijging van het gehalte in de tijd) of negatief (daling). De daaruit volgende verandering in het totaalgehalte in de bodem dient uiteindelijk als basis voor de berekening van de concentraties aan zware metalen in het bodemvocht en grondwater. Dit gebeurt met chemische evenwichtsrelaties op basis van de (nieuwe) gehaltes van zware metalen in de bodem en de bodemeigenschappen.
Rekening houdende met de afvoertermen kan de accumulatie in de bodem als gevolg van baggeren worden berekend.
Metaalgehalte bodem
Berekening afvoer door gewasopname
De netto afvoer van metalen met oogst van het gewas is berekend door de opbrengst te ver- menigvuldigen met het gehalte in de oogstbare delen van het gewas:
Me
gewasMe
opn= Y ×
(1)
1000
Meopn = netto metaalafvoer met gewas (g ha-1jr-1)
Y = oogstopbrengst (kg ha-1 jr-1)
Megewas = metaalgehalte in gewas (mg/kg).
De gehalten aan metalen in gewassen zijn, indien voor gewas en metaal voorhanden, bere- kend met een bodem-plant relatie (Römkens et al., 2008) volgens:
log(Me
gewas) = a + b logOM + c logklei + d × pH + e logMe
bodem (2) OM = organische stof gehalte in de bodem (%)klei = kleigehalte van de bodem (%) pH = pH-KCl van bodem (-)
Mebodem = metaalgehalte van de bodem (mg/kg).
Voor Cd en Zn konden goede relaties afgeleid worden. Voor Cu en Pb zijn de relaties slechter en voor Ni zijn geen bodem-plant relaties beschikbaar. Vergelijking (2) heeft dan geen toege- voegde waarde en voor Cu, Ni en Pb is daarom voor het berekenen van de opname uitgegaan van gemiddelde gehalten in het gewas. De coëfficiënten a tot e voor vergelijking 2 en de gebruikte mediane gewasgehalten staan in bijlage 5.
Berekening afvoer door uitspoeling
Voor de berekening van het transport van de metalen wordt uitgegaan van de concentratie in oplossing. Deze concentratie wordt berekend met zogenaamde partitie-relaties. Dit zijn empirische vergelijkingen die de verdeling (partitie) van een metaal geven in afhankelijk- heid van bodemeigenschappen (hier pH, gehalten van organische stof, lutum en ijzer- en aluminium(hydr)oxiden:
log(C ) = ␣
0+ ␣
1× log(Q) + ␣
2× log(OM) + ␣
3log(klei) + ␣
4× log(AlFe
ox) +
␣
5× log(DOC) + ␣
6× pH
(3)C = metaal concentratie in oplossing (mg.L-1)
Q = (reactieve) metaal gehalte in de vaste fase (mg.kg-1)
DOC = de opgeloste organische stof (mg.L-1)
AlFeox = de som van oxalaat extraheerbaar Al en Fe (mmol.kg-1).
De gebruikte coëfficiënten ␣0 tot ␣06 voor de metalen staan in bijlage 6.
De gebruikte relaties zijn afgeleid op een set van 118 bodemmonsters in Nederland (Groe- nenberg, 2011). Evaluatie van de partitierelaties op onafhankelijke monsters liet zien dat deze relaties even goed presteerden als een mechanistische modelaanpak (Dijkstra et al., 2009), mits binnen de grenzen van de omgevingsfactoren (pH, organische stof etc.) van de dataset gebruikt voor het afleiden van de relaties gebleven wordt (Groenenberg, 2011). Dit was het geval in dit onderzoek. In de relaties wordt uitgegaan van het geochemisch reactieve
gehalte van de metalen in de vaste fase. Dit gehalte is lager dan het totaalgehalte en kan worden gemeten met een 0,43 M HNO3 extractie. Voor zover gemeten zijn deze gehalten ge- bruikt. Wanneer alleen het totaalgehalte bekend was is het reactieve gehalte geschat uit het totaalgehalte en bodemeigenschappen met een empirische relatie (Römkens et al., 2004).
In het sloot/land systeem is ook sprake van een kringloop. Stoffen in de bodem spoelen uit naar de sloot en accumuleren in de baggerspecie. Bij het baggeren worden ze weer terug- gebracht op de bodem en kunnen vervolgens weer uitlogen. Dit kan worden gemodelleerd uitgaande van de locale hydrologie.
2.4.3 SCENARIO’S EN MODEL INPUTS
Bijdrage van verschillende aanvoertermen metalen op accumulatie in- en uitspoeling uit de bovengrond De balans van zware metalen in landbouwgronden waarop bagger wordt verspreid wordt naast de aanvoer van metalen door het opbrengen van bagger bepaald door aanvoer als ge- volg van depositie uit de lucht en aanvoer door bemesting met dierlijke mest en kunstmest. Voor de afvoer van metalen moeten opname door gewassen en uitspoeling meegenomen worden. Om het belang van de verschillende aanvoertermen te evalueren op zowel de ac- cumulatie van metalen in de bovengrond en op de uitspoeling aan de onderkant van de wortelzone zijn voor een locatie met grasland scenarioberekeningen uitgevoerd, waarbij de verschillende aanvoertermen zowel apart als tezamen doorgerekend zijn voor een periode van 100 jaar. In het gebruikte scenario is iedere vijf jaar gebaggerd en is 5 cm natte bagger op de bodem gebracht. Na ontwatering is het volume van de bagger gereduceerd tot 50% van zijn oorspronkelijk volume en is de dichtheid gelijk aan de dichtheid van de bodem. Voor wat betreft de metaalgehalten in de bodem, de pH van de bodem en de kwaliteit van het opgebrachte sediment is uitgegaan van een reële situatie die zoveel mogelijk aansluit bij de metingen in dit rapport. De berekeningen zijn uitgevoerd voor de locatie Rivierenland (R4). Voor de berekeningen is een representatief profiel met hydrologie geselecteerd uit de STONE plots. In Tabel 4 zijn de belangrijkste eigenschappen en de metaalgehalten van het sediment en de ontvangende bodem weergegeven. Er is gerekend met het lutum- en OS-gehalte en pH van de bodem van respectievelijk 35%, 20% en 5.8. In het tweede deel van de tabel zijn de gebruikte depositie en aanvoer van metalen via bemesting samengevat.
Effecten van pH en hoge belasting met metalen op de accumulatie in- en uitspoeling uit de bovengrond Ook zijn de effecten bekeken voor een aantal speciale cases, zo is er gekeken naar het effect van een pH verandering in de bodem als gevolg van het opbrengen van bagger en het op- brengen van bagger met meer extreme concentraties die nog (net) voldoen aan de maximum eisen voor de kwaliteit volgens de msPAF-methodiek.
TABEL 4 GEHALTEN METALEN(MG/KG DS) IN- EN BODEMEIGENSCHAPPEN VAN DE TOEGEPASTE BAGGER EN BODEM EN GEMIDDELDE