Risicobeoordeling voor nadelige effecten in bodem kwelzone van

toestroming vermest grondwater in actuele en toekomstige situatie

Analyse belasting met minerale N, afbraak organische stof, N-mineralisatie, P-mobilisatie op basis van actuele en toekomstige aanvoerfluxen NO3 en SO4 en geochemie bodem in kwelzone

Invloed van met nutriënten verrijkt grondwater op kwelafhankelijke ecosystemen 117 Stap 4: Diagnose toestroming vermest grondwater

Vaststellen of vermest grondwater toestroomt, moet bij voorkeur worden vastgesteld met behulp van hydrochemische metingen. Bemonstering van grondwater in de wat diepere lagen in een kwelzone maken het mogelijk de chemische samenstelling ervan te meten voordat het de bodem bereikt. Bij een hoge reactiviteit van de bodem kan de samenstelling van het instromende grondwater namelijk behoorlijk van karakter veranderen. Om bijmenging van basenarm

neerslagwater (ook een kwelgebied kan een neerslaglens hebben) in het monster uit te sluiten is bemonstering van 1 m tot enkele meters diepte wenselijk. In geval van een veenpakket dient het filter voor bemonstering onder het veen te worden geplaatst.

Bemonstering langs de stroombanen tussen kwelgebied en intrekgebied en in het intrekgebied zelf is uiterst wenselijk. De plaatsing van monsterbuizen vergt dan een inzicht in het

stroombanenpatroon. Een optie is het installeren van meerdere minifilters boven elkaar waarmee een beeld wordt verkregen van de verticale gelaagdheid van watertypen.

Voor een betrouwbare hydrochemische analyse wordt sterk aangeraden om de monsters gefiltreerd

te nemen en alle macro-ionen (Ca, Mg, Na, K, Cl, SO4, en HCO3 of beter nog TIC), nutriënten (PO4-

ortho of P met ICP, NO3, NH4), pH en EGV20 te meten. Alhoewel nog meer elementen meegenomen

kunnen worden, is deze set aan gegevens benodigd om een goed beeld te vormen van geochemische processen in de ondergrond en nutriëntenstatus van het gronwdater. Voor een beoordeling of de grondwaterchemie beïnvloed is door vervuiling kunnen diverse hydrochemische indicatoren worden gebruikt (Tabel 3-9; zie ook paragraaf 2.3.2 Herkennen van vervuiling van grondwater aan de hydrochemische samenstelling). Voor een betrouwbaarder oordeel kunnen het beste meerdere indicatoren worden gebruikt. Zowel bemesting als

atmosferische depositie kan zorgen voor een verhoging van nitraat- en sulfaatconcentraties. Ook oxidatie van pyriet door waterstandsverlaging kan leiden tot verhoogde sulfaatconcentraties. Aanvullende metingen van zware metalen (Ni, Zn, As) kunnen dienen als extra aanwijzing voor pyrietoxidatie. De bijdrage van atmosferische depositie aan de grondwaterchemie in toestromend grondwater kan worden afgetrokken van de gemeten concentraties als bekend is wanneer het water is geïnfiltreerd. Voor nitraat omvat dat dan ook de bijdrage van bemesting.

Ontwikkeling en Beheer Natuurkwaliteit 118 Tabel 3-9: Hydrochemische indicatoren voor vervuiling van grondwater.

Tabel 3-9: Hydrochemical indicators for groundwater contamination.

Stap 5: Diagnose input stoffen in infiltratiegebied

Een kwelgebied ontvangt grondwater dat in het verleden is geïnfiltreerd. De stofbelasting van NO3

en SO4 in kwelzones en daarmee de duurzaamheid van de natuurtypen in een kwelzone hangen

daarmee af van de verblijftijd en de lokale belastingscurve in het intrekgebied. Voor het beoordelen van de toekomstige belasting is het daarmee zinvol om te weten hoe de stofconcentratie van toestromend grondwater zich zal gaan ontwikkelen. Het meest nauwkeurig kan dit worden bepaald met behulp van lokale bemestingsdata maar in de praktijk zal dat vaak lastig zijn

(beschikbaarheid/ privacy) en zal gewerkt moeten worden met regionale waarden. Wanneer uitwerking van belastingscurves niet haalbaar is kunnen ook voor een aantal perioden grovere schattingen worden gemaakt van stofbelasting in het intrekgebied.

Stap 6: Diagnose omzettingsreacties en redoxfronten in ondergrond

Afhankelijk van de geochemische eigenschappen van het watervoerende pakket kunnen NO3- en

SO4 concentraties door omzettingsreacties veranderen. De belangrijkste reacties zijn denitrificatie

door pyrietoxidatie, denitrificatie door afbraak van organisch materiaal, reductie van sulfaat, oplossing van kalk, en kationuitwisseling (zie par. 2.3.2). Voor het traceren van deze processen kunnen dezelfde gegevens gebruikt worden als voor onderdeel 4 en kunnen de hydrochemische indicatoren van Tabel 3-9 worden gebruikt. Wanneer op de stroombanen van infiltratiegebied naar kwelzone de chemische samenstelling van het grondwater wordt bemonsterd, is het mogelijk een meer kwantitatief inzicht te verkrijgen in het aandeel van de verschillende processen.

Hydrochemische metingen langs stroombanen kunnen ook inzicht verschaffen in hoeverre sulfaat- en nitraatfronten zijn doorgedrongen in het watervoerende pakket.

Gegevens over gehalten van pyriet, organische stof en kalk van de sedimenten van het watervoerend pakket zijn van belang bij de interpretatie van omzettingsreacties in het

watervoerende pakket. Helaas zijn dergelijke gegevens vaak lokaal niet beschikbaar en is men aangewezen op een globale karakterisering (zie bijv. paragraaf 2.4 of Huismans et al., 2016).

Hydrochemische indicator Proces Nadere toelichting

nitraat en sulfaat: NO3+SO4 > 0.1 (in meq/l) invloed van bemesting, atmosferische depositie en/of verdroging

in grondwater van voor 1900 is NO3+SO4 < kleiner dan 0.2 meq/l chloride: Cl > 420 µmol/l (≈15 mg/l) vaak vervuild water door bemesting water dat in landbouwgebied voor

1985 is geïnfiltreerd had verhoogde Cl- concentraties; daarna is een afname opgetreden

kalium: K > 50 µmol/l (≈2 mg/l) vervuild water door bemesting zeer hoge hardheid: Ca+Mg aanwijzing voor pyrietoxidatie in

kalkrijk sediment door bemesting (oxidatie door nitraat) en/of verdroging (oxidatie door zuurstof)

hoogte hardheid binnen context van geochemie van sediment bekijken: hardheid in sediment waar kalk in onverzadigde zone kan oplossen is van nature al hoog

ratio alkaliniteit:hardheid: HCO3/(Ca+Mg) << 2 (in mol/mol) in kalkverzadigd water

kalkoplossing door sterk zuur door nitraattoevoer door bemesting en/of verdroging die leiden tot oxidatie van ijzersulfiden, aanvoer/ vorming van sterke zuren door atmosferische depositie

ratio magnesium:hardheid: Mg/(Ca+Mg) > 0.20 (mol/mol)

duidt op invloed van bekalking met dolokalk wat veel gedaan wordt om de zuurgraad van landbouwgronden op peil te houden

zware metalen:

nikkel: Ni > 0.5 µmol/l (≈ 29 µg/l) zink: Zn > 1 µmol/l (≈ 65 µg/l) arseen: As > 0.5 µmol/l (≈ 11 µg/l)

duidt op pyrietoxidatie concentraties kunnen bij pyrietoxidatie ook laag blijven wanneer metalen die vrij komen uit pyriet worden gebonden

Invloed van met nutriënten verrijkt grondwater op kwelafhankelijke ecosystemen 119

Een praktische en financieel aantrekkelijke overweging is om de plaatsing van nieuwe peilbuizen te combineren met bemonstering van het sediment op diverse diepten, en deze monsters te

analyseren op de geochemische samenstelling.

De nieuw ontwikkelde rekentool kan worden gebruikt om in te schatten wat de concentraties van sulfaat en nitraat zijn in het grondwater dat de kwelzone bereikt, en hoe lang het ongeveer duurt voordat de bufferende werking van de ondergrond voortduurt (paragraaf 2.4.2). De ontwikkelde rekentool is nog niet beschikbaar voor publiek gebruik, maar zou met een paar aanpassingen beschikbaar gesteld kunnen worden. Wanneer voldoende locatiespecifieke gegevens van de ondergrond beschikbaar zijn, is het mogelijk het concentratieverloop en doorbraak in kwelzone te voorspellen met een gedetailleerder geochemisch stoftransportmodel dat gekoppeld is aan een hydrologisch model (Bijvoorbeeld PHREEQC, Parkhurst & Appelo, 1999) of MT3DMS (Zheng & Wang, 1999).

Stap 7: Kwantificeren kwelflux

Door de grote verscheidenheid van kwelfluxen (0-35 mm/d) die binnen kwelgebieden van beekdalen kan optreden, is het voor het bepalen van stofbelastingen in kwelgebieden essentieel om de kwelflux te kwantificeren. Met numerieke grondwatermodellen kunnen kwelfluxen worden berekend, maar zulke modellen worden zelden gekalibreerd op een gemeten waterbalans of

stijghoogteverschillen. Daarnaast berekenen zulke modellen technisch gezien vaak de flux over een slecht doorlatende laag en niet de hoeveelheid water die de wortelzone bereikt. Numerieke

modellen hebben ook moeite met het berekenen van kwelfluxen in (zeer) smalle kwelzones (kleiner dan de modelcellen) en voor grondwatersystemen met periodieke kwel. De fluxberekeningen van dergelijke modellen zijn daardoor niet altijd betrouwbaar en dienen daarom met de nodige voorzichtigheid te worden gebruikt.

Een meer betrouwbare waarde kan voor puntlocaties worden verkregen met berekeningen van kwelfluxen uit meetreeksen van freatische stand en stijghoogten. Met inverse modellering is het mogelijk om verticale fluxen in de tijd te berekenen (Cirkel et al. 2010). Het beschikbaar komen van kwalitatief goede, hoog-frequente waterstandsreeksen in natuurgebieden maakt het in toenemende mate mogelijk om deze methode toe te passen.

Een andere geschikte optie is inverse modellering van kwelfluxen uit gemeten diepteprofielen van de bodemtemperatuur. Met een momentopname van het temperatuurprofiel is het mogelijk om met stationaire modellering tijdens de omslagmomenten van het temperatuurprofiel de flux te berekenen (Anibas et al. 2009). Eenmalige metingen kunnen vrij snel op meerdere plekken met een speciale temperatuursonde worden uitgevoerd, zeker in veenbodems. De omslagmomenten vallen ca. in begin maart en in augustus/september. Met continumetingen van het

temperatuurprofiel is het mogelijk om een tijdreeks van de kwelflux te berekenen (Anibas et al. 2009). Continumetingen van bodemtemperatuur vergen vaste meetopstellingen met loggers. Tot slot kan in situaties die zich er voor lenen de kwelflux worden afgeleid uit

waterbalansberekeningen. Daarvoor is het nodig dat een kwelzone met een bekende oppervlakte een traceerbare afvoer van oppervlaktewater heeft waarvan het debiet kan worden gemeten. Met verrekening van de neerslag en verdamping van een nabij gelegen meteostation kan de kwelflux worden berekend.

Stap 8: Analyse actueel en toekomstig verloop stoffluxen

Op basis van een combinatie van de kwelflux (onderdeel 7) en in het grondwater onder de kwelzone gemeten stofconcentraties (onderdeel 4) is het mogelijk de actuele stofbelasting voor

NO3 en SO4 te berekenen (flux * concentratie). Dit ook mogelijk op basis van toekomstige

stofconcentraties (onderdeel 5). Praktisch is om voor kwelfluxen uit te gaan van het jaargemiddelde van de kwelflux, zodat jaarlijkse stofbelastingen kunnen worden berekend.

Ontwikkeling en Beheer Natuurkwaliteit 120 Stap 9: Diagnose geochemie en omzettingsprocessen in bodem kwelzone

Metingen aan geochemie en hydrochemie in het bodemprofiel van kwelgebieden kunnen inzicht geven in belangrijke omzettingsprocessen. Vooral metingen op verschillende dieptes in de bovenste meters zijn daarbij zinvol. Geochemische metingen hoeven slechts éénmalig te worden uitgevoerd terwijl hydrochemische metingen beter enkele malen verspreid over een jaar of meerdere jaren dienen te worden uitgevoerd, zeker in systemen met een fluctuerende waterstand. Door de grote invloed van de waterstand op de redoxchemie in het bovenste deel van de bodem is het ook zeer waardevol om te beschikken over een waterstandsreeks. Wanneer éénmalige metingen worden uitgevoerd kunnen deze het beste plaatsvinden in natte perioden met kwel, omdat dan grotere kans is dat de chemische processen worden getraceerd die samenhangen met de toestroming van grondwater. De metingen kunnen zichtbaar maken in hoeverre en op welke diepte in de bodem reductie van nitraat en/of sulfaat optreedt, pyriet wordt gevormd, waar veel afbraak van organische stof en N-mineralisatie plaatsvindt, en waar sterke desorptie van fosfaat optreedt. In Tabel 3-10 worden (niet uitputtend) aanwijzingen gegeven voor het interpreteren van hydrochemische en geochemische patronen. Tevens kan gebruik worden gemaakt van de hydrochemische indicatoren in Tabel 3-9.

Tabel 3-10: Aanwijzingen voor analyse invloed vermest grondwater op hydrogeochemie van de

bodem in kwelzones.

Tabel 3-10: Indicators for analysis of the effects of eutrophied groundwater on soil hydrogeochemistry in seepage areas.

Stap 10: Risicobeoordeling voor nadelige effecten in bodem kwelzone van toestroming