Nederlandse Samenvatting van
Water and chemical budgets of gravel pit lakes.
Case studies of fluvial gravel pit lakes along the Meuse River (The Netherlands) and coastal gravel pit lakes along the Adriatic Sea (Ravenna, Italy).
Proefschrift
ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft,
op gezag van de Rector Magnificus prof. ir. K.C.A.M. Luyben, voorzitter van het College voor Promoties,
in het openbaar te verdedigen op vrijdag 12 februari 2016 om 12:30 uur.
door
Pauline Nella MOLLEMA
Master of Science Stanford University 1994 and Master of Science Utrecht University 1992, geboren te ’s Gravenhage, Nederland op 28 juni 1968
Tijdens zand en grindwinning in gebieden met een ondiepe water spiegel, vullen de uitgravingen zich met grondwater en vormen meren en (diepe) plassen. In bepaalde gebieden komen deze zandwinputten in grote aantallen voor, geconcentreerd langs natuurlijke sedimentaire grind afzettingen in gebieden waar grind nodig is voor de bouw. De meeste zandwinputten zijn relatief jong: minder dan 50 jaar oud. Het onderwerp van dit proefschrift is de studie naar de veranderingen die zandwinputten teweeg brengen in de hydrologie en hydrochemie van een watervoerend pakket, een rivierbekken of een polder. Daartoe heb ik zandwinputten in het rivierdal van de Maas bestudeerd waar de plassen met zoetwater zijn gevuld en ook zandwinputten gevuld met brak water, in oude strandafzettingen bij Ravenna (Italie) langs de Adriatische kust . Eèn van de bestudeerde Nederlandse zandwinputten (De Lange Vlieter bij Heel) wordt gebruikt voor kunstmatige infiltratie van rivierwater terwijl de andere plassen worden gebruikt voor recreative doeleinden als zwemmen, duiken en zeilen. Het oppervlakte water in de zandwinputten en van andere wateren als rivieren en vennen en ook het grondwater boven en benedenstrooms van de zandwinputten is bemonsterd. Het water is daarna geanalyseerd op de belangrijkste chemische elementen, anionen en kat-ionen, sporenelementen en stabiele isotope van water. De waterbalans en ook divere chemische balansen van de zandwinputten zijn berekend.
Het uitgraven van veel zandwinputten dicht bijelkaar zorgt voor een toevoeging van oppervlakte water. In het Nederlandse studie gebied de Maasplassen zorgen 71 plassen tussen Maastricht en Asselt voor een toevoeging van 20 km2 oppervlakte water , gelijk aan
0.26% van het nederlandse deel van het stroomgebied van de Maas. In de Italiaanse polder is de totale oppervlakte van 13 zandwinputten 684 hectare die samen 7 % van de oppervlakte van de ‘Quinto Basin polder’ innemen. Dit extra oppervlaktewater zorgt voor een verlies aan zoetwater omdat oppervlaktewaterverdamping in een gematigd en mediterraans klimaat als van de studiegebieden, doorgaans groter is dan evapotranspiratie van grasland of bos. Ook het afwateringspatroon van een rivierbekken veranderd in de aanwezigheid van zandwinputten omdat ze zorgen voor fluctuaties in de waterspiegel over een grote afstand. In laag gelegen kustgebieden als in het Italiaanse studie gebied, zorgen deze fluctuaties en de plassen die een equipotentiaal vlak onder zeeniveau vormen, voor verzilting van het grondwater.
Als grondwater aan de ene kant de zandwinput instroomt en aan de andere kant eruit en de grond weer in, dan noemt men het ‘door-stroom’ of ‘flow-through’ plassen. Zandwinputten kunnen ook in open verbinding met een rivier staan. De zandwinputten die ik in detail heb bestudeerd hebben gemeen dat hun waterbalans voor een groot deel bepaald wordt door kunstmatige drainage. In de Nederlandse De Lange Vlieter (DLV) is de drainage veroorzaakt door grondwater ontrekking met behulp van pomp putten benedenstrooms van de plas. In de Italiaanse plassen is de drainage veroorzaakt door het polder gemaal dat er voor zorgt dat het laaggelegen land niet onderstroomt.
Rivierbekkens of polders met meerdere zandwinputten zijn gevoeliger voor klimaats veranderingen dan die zonder zandwinputten omdat de verdamping van oppervlaktewater gevoeliger is voor klimaats veranderingen dan evapotranspiratie van grass of bos land dat door de zandwinputten vervangen is. In zandwinputten die gevoed worden door
grondwater of rivier water, wordt het verdampte water vervangen waardoor een grotere verdamping mogelijk is. Evapotranspiratie van bodemvocht in een bekken of polder zonder zandwinputten kan maar toenemen tot in zekere mate.
Het modelleren van de waterbalans met chloride als conservatieve element laat zien, dat veranderingen in pomp debiet, nodig om overstromingen te voorkomen vanwege hoger zee niveau (Italië) een grotere invloed zal hebben op het process van evapoconcentratie dan veranderingen in de verdampings snelheid door klimaats veranderingen. Neerslag op de Italiaanse zandwinputten mengt zich onmiddelijk met het brakke water in de plas en draagt zo niet langer bij aan devorming van zoet-brakke regen-lensen in de grond.
Zowel de Nederlandse als de Italiaanse zandwinputten bevatten water met een hoge alkaliniteit, een hoge pH en concentraties van metalen en sporen elementen die anders zijn dan die in het nabije grondwater. Er zijn verschillen in de specifieke sporenelementen concentraties en hun balans tussen de twee studie gebieden. Dat is vanwege de invloed van zeewater in het Italiaanse geval en de specifieke bodem chemie in beide studie gebieden. Arsenicum en Barium bijvoorbeeld komen voor in hoge concentraties in grondwater en in de zandwinputten in Italie maar niet in Nederland waar Nikkel, Zink and Aluminium belangrijker zijn. Verschillen in chemie (Fe, SO4, HCO3, Ni etc. and pH) tussen
zandwinput water en groundwater en variaties langs stroomlijnen demonstreren dat redox reacties optreden in de bodem van beide studie gebieden. Deze reacties aangemoedigd door fluctuerende waterspiegels en /of door de de-nitrificatie van (kunst) mest hebben metalen als Fe, Zn, en Ni en andere elementen als Al and As gemobiliseerd. Deze elementen zijn deels weer geadsorbeerd door de bodem zoals in het geval van As in het nederlandse studie gebied maar deels komen ze met het grondwater in de zandwinputten terecht waar ze neerslaan op de bodem (bijvoorbeld, Fe, Zn, Ni, Al) en sommige elementen blijven deels in oplossing in het water van de zandwinput (bijvoorbeeld As in de italiaanse meren).
De waterkwaliteit in de zandwinputten wordt sterk beinvloed door het gebruik van het land en door het klimaat van het rivierbekken of polder. Als er in de toekomst minder zuurstof beschikbaar zou zijn als DO of NO3 of als de pH van het zandwinput water lager zou
worden, dan zouden de reacties die eerst zorgden voor het neerslaan van metalen en sporen elementen op de bodem van de plassen, omgedraaid kunnen worden. Metalen en sporenelementen zouden weer kunnen oplossen en daarbij zouden ze een giftige omgeving kunnen creeren voor planten, beesten en mensen.
Deze veranderingen zouden kunnen worden veroorzaakt door bijvoorbeeld een afname in het gebruik van bemesting, of door een verandering in het klimaat met bijvoorbeeld minder infiltratie van water in de bodem, of door langzame uitlogings processen in de bodem als bijvoorbeeld decalcificatie die leidt tot verzuring van de bodem. Aan de andere kant zou een grotere eutrophicatie en primaire productie gestimuleerd door hogere temperatuur of minder circulatie in het water, een grotere sedimentie van organisch material tot gevolg hebben. Dit zou helpen om de concentratie van metalen in bodem sedimenten te verdunnen en de metalen en sporen elementen vast te leggen.
De snelheid waarmee deze processen optreden kan ook veranderen aangezien zandwinputten pas korte tijd bestaan terwijl veranderingen in de bestemming van het land en het klimaat een rol spelen in hun huidige en toekomstige evolutie. Het vastleggen van metalen, C, nutrienten en andere elementen in zandwinputten verandert ook de hydrochemie van de riviermond aan zee. Minder opgeloste metalen en sporenelementen bereiken de rivier en uiteindelijk de zee. Om het veilig gebruik van zandwinputten te kunnen evalueren moet niet alleen het water en sedimenten van de zandwinput zelf maar ook het groudwater, de waterbalans en de evolutie van hydrochemische processen en van het klimaat en ruimtelijke inrichting geobserveerd worden.
