Regulatie chemie grondwater en bodem in kwelgebieden van terrestrische delen

In deze studie is nauwelijks gemeten aan de chemische toestand in kwelgebieden van terrestrische delen. Op basis van zaken die wel onderzocht zijn zoals chemie van grond- en oppervlaktewater, grondwaterstroming, ontwikkelingshistorie en op basis van waarnemingen tijdens terreinbezoeken alsmede inzichten uit onderzoek in andere beekdalen zullen we enig inzicht proberen te geven ten aan zien van de chemische karakteristieken van deze kwelgebieden.

De kwelgebieden in de terrestrische delen van De Maten hebben bodems met een dunne tot relatief dikke veenlaag. De chemische toestand in deze bodems wordt momenteel sterk bepaald door de bodemchemie en het waterstandsregime. De chemische samenstelling van het huidige toestromende grondwater heeft op de actuele chemische toestand beperkte invloed. Reden hiervoor is dat de sterk veraarde veenbodems grote voorraden aan stoffen hebben die via allerlei chemische processen sterke invloed uitoefenen op de chemische samenstelling van het porievocht in de wortelzone. Het grondwaterstandsregime heeft in deze redoxgevoelige bodems ook sterke invloed op de chemie van het porievocht. Op lange termijn heeft de chemische samenstelling van het toestromende grondwater wel een merkbare invloed op de bodemchemie.

De actuele bodemchemie is een resultaat van bodemvorming, langdurige aanvoer van stoffen door grondwater in het verleden en veranderingen in het grondwaterregime. Naast opbouw van veen in het verleden hebben

menselijke activiteiten grote invloed uitgeoefend. Dat betreft ontwatering (afbraak van veen en mineralisatie), het tijdelijke gebruik als vijver (slibvorming, bodemdoorwoeling) en mogelijk in een latere fase ook weer vernatting door verwaarlozing van de ont- en afwatering (bevordert reductie van geoxideerde verbindingen). Verder worden de kwelgebieden sinds de aanwezigheid van vijvers in sterke mate gevoed door infiltratie van beekwater in de vijvers. Omdat de chemische kwaliteit van het infiltrerende beekwater niet constant is geweest, heeft ook de chemische samenstelling van het toestromende grondwater gevarieerd. Zo was er in de vorige eeuw een periode met hoge nutriëntengehalten door ongezuiverde lozing van rioolwater en hoge gehalten van HCO3, Na, Cl en mogelijk ook SO4 door mijnlozingen. De actuele chemische toestand van de kwelgebieden in De Maten is daarom door een veranderlijke en complexe historie bepaald. Dat betekent dat op korte termijn de chemische toestand van de bodem slechts zeer beperkt kan worden beïnvloed met de kwaliteit van het toestromende grondwater. Met veranderingen van het grondwaterstandsregime kan de redoxtoestand en daarmee de chemie van het bodemvocht wel snel worden beïnvloed. Hieronder worden enkele belangrijke chemische aspecten in relatie tot de historie nader toegelicht.

Afgaande op de veldwaarnemingen van visuele ijzersporen (rode ijzerhydroxiden op kwelplekken en in

waterlopen) vermoeden we dat een groot deel van de veenbodems ijzerrijk is. Dit ijzer is in de veenbodems van De Maten geleidelijk geaccumuleerd door aanvoer van ijzerhoudend grondwater. Afbraak van het veen door langdurige ontwatering heeft het ijzergehalte nog verder doen toenemen. Het organische materiaal verdwijnt terwijl het ijzer in de vorm van diverse vaste mineralen achterblijft. Hoge ijzergehalten gaan ook samen met hoge gehalten van anorganisch fosfaat, omdat ijzer fosfaat goed kan binden (Aggenbach et al., 2013a). Uit onderzoek blijkt dat hoge ijzergehalten een belangrijke invloed hebben op abiotische processen in veenbodems. Hoge ijzergehalten vooral in combinatie met een fluctuerende grondwaterstand dragen bij aan een hoge afbraak van organisch materiaal. Bij beluchting van de bodem ontstaan door oxidatie ijzerhydroxiden. Wanneer de bodem zuurstofloos wordt door een hoge waterstand gaan deze ijzerhydroxiden reduceren en daarbij wordt organisch materiaal afgebroken. In beekdalvenen gaan hogere ijzerconcentraties van het veen samen met een grote humificatiegraad (Aggenbach et al., 2013a). Een grote afbraak gaat ook samen met relatief nutriëntenrijke omstandigheden.

Figuur 93: Vereenvoudige weergave van de zwavel en ijzerchemie in lokale grondwatersytemen met infiltratie van vijverwater en kwel in laagten. Blauwe peilen = stroming van vijverwater en grondwater. Vaste stoffen in en op de bodem zijn rood weergegeven. Opgeloste stoffen in het water zijn blauw weergegeven. In korte, snelle stroombanen ontstaan hoge concentraties van vrije sulfiden en een witte neerslag van elementair zwavel in de kwelzone. In langere stroombanen wordt het ijzergehalte van het grondwater in het kwelgebied hoog en ontstaan op maaiveld rode ijzerhydroxiden.

Tijdens de mijnbouwperiode van Genk had het Stiemerwater relatief hoge Na- , HCO3- en mogelijk ook SO4-gehalten. De kwelgebieden die door vijverwater werden gevoed, stonden daardoor onder invloed van relatief natriumrijk grondwater (Figuur 94: Historie van natriumaanrijking van de ondergrond in lokale

grondwatersystemen met infiltratie van vijverwater. Ten tijde van de mijnlozingen op de Stiemer is het vijverslib en het veen in de kwelgebieden die gevoed wordt door infiltrerend vijverwater verrijkt met natrium door binding aan het kationenadsorptiecomplex. Na het stoppen van de mijnlozingen geeft de ondergrond nog natrium af aan het grondwater van de lokale grondwatersystemen die met vijverwater worden gevoed.). Natrium is een basisch kation en adsorbeert op het kationenadsorptiecomplex van de bodem. Geadsorbeerd natrium heeft net als

hebben vergroot. Voor de invloed van de mijnlozingen stonden de kwelgebieden onder invloed van basenarm grondwater (laag Ca- en Na- gehalte in zowel de lokale systemen als het regionale systeem). De vroegere infiltratie van natriumrijk vijverwater is momenteel nog steeds merkbaar aan relatief hoge natriumgehalten in de stalen van diverse peilbuizen in De Maten. Het is dan ook regelmatig het dominante kation (dus Na >> Ca). Mijnlozingen zorgen vaak ook voor verhoogde sulfaatgehalten. Hoe hoog die zijn geweest in het Stiemerwater is niet goed bekend. Indien de vijvers die door Stiemerwater werden gevoed sulfaatrijk waren, kunnen ook met vijverwater gevoede lokale grondwatersystemen sterk belast zijn geweest met sulfaat. Wanneer dit sulfaat kwelgebieden bereikt zal het daar reduceren in de veenlaag (organisch materiaal kan sulfaat reduceren) en

samen met ijzer sulfiden vormen (FeS, FeS2). Door de aanwezigheid van een grote ijzervoorraad in de

veenbodems konden in potentie ook grote hoeveelheden ijzersulfiden worden gevormd. Een belangrijk deel van sulfidenvorming zal echter al plaats hebben gevonden in de slibbodems van de vijvers (zie paragraaf 21.2). Dat geldt vooral voor vijvers met veel slib, maar in veel mindere mate voor vijvers met weinig slib. Sulfiden in de

bodem kunnen in droge perioden in contact met lucht oxideren en zuur (H⁺) vormen. De bodems in de

kwelgebieden kunnen daardoor zowel een relatief hoge buffercapaciteit hebben als een potentie tot veel

zuurvorming. Daardoor is lastig te beoordelen of de veenbodems bij periodieke uitdroging sterk kunnen verzuren. Bij een permanent hoge grondwaterstand zullen de bodems een door natrium verhoogde basenverzadiging een relatief hoge pH hebben.

Figuur 94: Historie van natriumaanrijking van de ondergrond in lokale grondwatersystemen met infiltratie van vijverwater. Ten tijde van de mijnlozingen op de Stiemer is het vijverslib en het veen in de kwelgebieden die gevoed wordt door infiltrerend vijverwater verrijkt met natrium door binding aan het kationenadsorptiecomplex. Na het stoppen van de mijnlozingen geeft de ondergrond nog natrium af aan het grondwater van de lokale grondwatersystemen die met vijverwater worden gevoed.

Op zeer beperkte schaal speelt in de zuidelijke vijverketen nog een bijzonder chemisch verschijnsel. Vlakbij de vijverdijken aan de benedenstroomse zijde (meestal minder 20 m vanaf de dijk) is in waterlopen en kwelplekken een witte neerslag waargenomen (Foto 5). Het kwelwater bestaat uit geïnfiltreerd oppervlaktewater van de nabij

gelegen vijver en stroomt via zeer korte stroombanen toe. De neerslag bestaat zeer vermoedelijk uit elementair zwavel en ontstaat bij aanvoer van grondwater met een hoog gehalte van vrije sulfiden (H2S, HS^-, S^2-). De sulfiden zijn gevormd door de reductie van sulfaat dat door het infiltrerende oppervlaktewater wordt aangevoerd. Door een geringe beschikbaarheid van vrij ijzer worden de vrije sulfiden niet omgezet naar ijzersulfiden. We vermoeden dat de grondwaterstroombanen zo’n korte verblijftijd hebben dat de sulfaatbelasting hier zeer groot is geweest. De ijzervoorraad in de ondergrond met zeer “snelle” stroombanen is daardoor al verbruikt en omgezet in ijzersulfiden. De grondwatermodellering geeft zeer hoge infiltratie- en kwelfluxen dicht bij de vijverdijken. Afgaande op het patroon van witte neerslag lijkt de toevoer van sulfidenrijk grondwater een verschijnsel dat in zeer beperkte oppervlakten van de kwelgebieden optreedt.

Foto 5: Witte neerslag van elementair zwavel op kwelplekken vlak bij een vijver met sterke infiltratie van sulfaathoudend beekwater.