Gevoeligheidsanalyse parameters ondergrond

Voor het MT3DMS-model is eerst een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd en vervolgens een (beperkte) kalibratie, door aanpassing van de reactiesnelheden in het model. Voordat dit wordt toegelicht, wordt eerst ingegaan op de onzekerheden in de ondergrondparameters.

De parametrisatie van het MT3DMS model is omgeven met grote onzekerheden. De beschikbaarheid van data is voor de diepere ondergrond beperkt en de parametrisatie leunt voor een groot gedeelte op (deel statistische) interpolaties van de beperkte meetwaarden in combinatie met grove schattingen. Bovendien worden modelparameters toegekend per voxel (met horizontale dimensies van 250x250m) van het model, terwijl te verwachten is dat binnen de voxels een enorme heterogeniteit aan

bodemeigenschappen heerst. Gehalten aan reactief materiaal en de mate van reactiviteit van bodemmateriaal zijn vaak ingeschat aan de hand van kleine bodemmonsters en deze reactiviteit op monsterschaal is toegepast als basis voor de parametrisatie van het voxelmodel. Op grotere (lees: voxel-) schaal kan de effectieve reactiviteit behoorlijk anders zijn. Niet alleen vanwege de

geochemische heterogeniteit, maar bijvoorbeeld ook vanwege het samenspel tussen geochemische en geofysische eigenschappen van de ondergrond. Dit wordt toegelicht aan de hand van een voorbeeld. Water dat een weg aflegt door een bodemvolume dat bestaat uit zowel meer zandige (vaak minder reactieve) als meer kleiige (vaak reactievere) zones, zal bij voorkeur door de zandige zones stromen en daarbij minder reactiviteit tegenkomen dan gemiddeld voor dit volume aanwezig is. Dergelijke onzekerheden dragen eraan bij dat de initieel ingeschatte reactiviteitsparameters soms sterk bijgesteld moeten worden om een goede match te verkrijgen met de grondwaterkwaliteitsmetingen. Zowel gehalten aan reactief materiaal als de gehanteerde eerste- en nulde-ordereactiesnelheden zijn onzeker. Voor gevoeligheidsanalyse en kalibratie worden de gehalten als vaststaand gegeven

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2000 2005 2010 2015 N-overschot (kg/ha)

Zuidelijke zandregio; landbouw gemiddeld

0 25 50 75 100 125 150 2000 2005 2010 2015 Nitraatconcentratie (mg/L) Variant 1 Variant 2

aangenomen en wordt alleen gekeken naar het effect van aanpassing van reactiesnelheden. Het effect van beide is niet goed te onderscheiden en het heeft dan ook geen zin om beide te variëren.

Bovendien wordt de onzekerheidsmarge rondom de effectieve reactiesnelhedenfactoren hoger

ingeschat dan de gehalten aan reactief materiaal. Dit blijkt bijvoorbeeld al uit de grote ranges rondom reactiesnelheden in de literatuur.

Voor de gevoeligheidsanalyses van het ondergrondmodel (MT3DMS) is gekeken naar de reactiesnelheden:

• KDOM (eerste-orde-afbraakconstante opgelost organisch materiaal)

• KNO3 (eerste-orde-denitrificatiesnelheidsconstante)

• KFeS2 (eerste-orde-pyrietoxidatiesnelheidsconstante)

• KSOM (eerste-orde-afbraakconstante sedimentair organisch materiaal)

Het koppelvlak tussen ANIMO en MT3DMS ligt vaak op wat grotere diepte (>10m), wat betekent dat de MT3DMS-resultaten sterk aan ANIMO ‘hangen’. Daar komt nog bij dat het dieptetraject waar de meeste metingen beschikbaar zijn, wordt gedekt door ANIMO. Het MT3DMS-model kan daardoor niet goed op zijn eigen prestaties beoordeeld kan worden. Daarom is besloten de gevoeligheidsanalyses uit te voeren met een modelvariant waarin het koppelvlak naar 1m-GLG is gebracht. MT3DMS berekent in deze modelvariant dus grotendeels zelfstandig het stoftransport in het grondwater.

Met dit MT3DMS-model is een gevoeligheidsanalyse verricht voor de totale reactiviteit van de ondergrond door de volgende varianten te gebruiken:

1. Een conservatieve run (1941-2015), oftewel geen reactiviteit;

2. Een reactieve run, met alle reactiesnelheden zoals a priori ingeschat (hoofdstuk 3); 3. Een reactieve run, met alle reactiesnelheden een factor 10 verlaagd;

Figuur 5.11 Gevoeligheidsanalyse op de gehanteerde reactiesnelheden (zowel oxidatie van pyriet als organische stof). Getoond zijn de modelresultaten (NO3-concentratie op 20m-mv) voor het jaar 2015

(links en midden). De bovenste figuur geeft de geïnterpoleerde meetwaarden uit het dieptetraject 15-25m-mv.

In figuur 5.11 zijn ter illustratie de resultaten van variant 1 en 3 getoond voor nitraat voor een diepte van 20 m onder maaiveld, samen met een inschatting van de ‘werkelijke’ situatie aan de hand van meetwaarden. Het beeld van de metingen is gecreëerd door jaargemiddelde waarnemingen te nemen uit de periode 1990-2016, en daarbij voor een dieptetraject van 10 tot 25 m de waarnemingen te hanteren die het dichtst bij het jaar 2016 liggen. De waarnemingen zijn vervolgens ruimtelijk

geïnterpoleerd met behulp van Inverse Distance Weighting. In variant 2 bleken de reactiesnelheden te hoog, waardoor nagenoeg alle nitraat op 20 m-mv verdwenen is. De resultaten van deze variant zijn daarom niet getoond.

De resultaten in figuur 5.11 laten ten eerste zien dat het transportproces in het model naar

verwachting verloopt. De conservatieve som geeft te hoge nitraatconcentraties. Dat lijkt triviaal, maar is een belangrijke constatering. Als de conservatieve som al te lage concentraties zou geven, zou dit een aanwijzing zijn dat de grondwaterstroming niet goed wordt gesimuleerd. De conservatieve som bevestigt de bekende patronen van kwel- en infiltratiegebieden en de mate waarin de

grondwateraanvulling grotere dieptes bereikt.

De reactieve som, met (sterk) gereduceerde reactiesnelheden, geeft al een aardige overeenkomst met het beeld uit de metingen. Hogere nitraatconcentraties op de getoonde diepte blijven, net als in de metingen, overwegend beperkt tot gebieden waar ook volgens de metingen het nitraat grotere diepten bereikt en vice versa.

Figuur 5.12 Gevoeligheidsanalyse voor de gehanteerde reactiesnelheden (zowel oxidatie van pyriet als organische stof). Getoond zijn de gesimuleerde NH4-concentratie op 4 m-mv voor het jaar 2015.

De bovenste kaart toont de geïnterpoleerde meetwaarden uit het dieptetraject 0-5 m-mv.

Figuur 5.13 Gevoeligheidsanalyse voor de gehanteerde reactiesnelheden (zowel oxidatie van pyriet als organische stof). Getoond zijn de gesimuleerde NH4-concentraties op 4 m-mv voor het jaar 2015.

Figuur 5.12 en figuur 5.13 laten de resultaten voor ammonium zien voor twee diepte-intervallen. Het blijkt dat de conservatieve som de ammoniumconcentraties al redelijk goed benadert. In het ondiepe traject houdt m.n. kwel de concentraties in stand, en in het diepe traject (waar vrijwel geen productie van ammonium plaatsvindt vanwege de hoge ouderdom van het aanwezige organische materiaal en daarmee de lage reactiviteit) zorgen de lage grondwatersnelheden dat er niet veel verandert ten opzichte van de initiële condities (1941).

Volgens het reactieschema vindt er zowel productie als adsorptie van ammonium plaats en wanneer de concentratieverdelingen volgens de metingen vergeleken worden tussen 1941 (figuur 3.9) en 2010 (figuur 5.12 en figuur 5.13), resulteert dit op de beschouwde dieptes netto in weinig verandering gedurende deze periode. Uit figuur 5.12 en figuur 5.13 wordt duidelijk dat indien de reactiesnelheden op veel groter dan 1% van de vooraf ingeschatte waarden worden gezet, dit resulteert in te veel ammoniumproductie. Een effectieve reactiviteit van rondom de 1% lijkt realistischer.