Effect van verdichting op waterretentie

WENR heeft vernieuwende in-situ technieken ingezet die het mogelijk maakt de waterretentiecurve van de onverzadigde bodem direct in het veld te meten. Deze metingen zijn uitgevoerd op drie testlocaties, waarbij per testlocatie een verdichte laag vergeleken is met een niet verdichte laag. Middels deze metingen, aangevuld met modelberekeningen, bepalen we de invloed die verdichting heeft op het waterbergend vermogen van de onverzadigde bodem (boven de grondwaterspiegel).

Verspreid over de zandgronden zijn op een drietal percelen metingen uitgevoerd om de effecten van verdichting op het waterbergend vermogen in beeld te brengen. De locaties zijn in 2022 geselecteerd, waarbij onder meer is gekeken naar het landgebruik (gras, akkerbouw) en de bodemopbouw.

Welke maatregel wordt onderzocht?

In deze veldproeven wordt de volgende maatregel uit de KLIMAP menukaart onderzocht:

B2.5 Slemp en verdichting tegengaan

Doel

Het doel van dit onderzoek is het bepalen van het waterbergend vermogen van de onverzadigde bodem (boven de grondwaterspiegel) van verdichte en minder verdichte bodems. Met deze gegevens kunnen nauwkeuriger berekeningen gemaakt worden van de waterhuishouding waardoor de effecten van verdichte bodems op wateroverlast en verdroging zichtbaar worden. Ook moet duidelijk worden welke invloed een mogelijk steeds verder verdichtende bodem op de waterhuishouding heeft. Met deze gegevens kan getoetst worden hoe effectief lokale bergingsoplossingen zijn en of het wenselijk is bodemverdichting in de toekomst verder te voorkomen.

Aanpak

De waterretentiecurve wordt bepaald door de drukhoogte uit te zetten tegen het vochtgehalte. Per testlocatie zijn op een drietal sublocaties en op een drietal dieptes polymeertensiometers (drukhoogte over een groot bereik) en TDR-sensoren (vochtgehalte) geplaatst. De drie sublocaties variëren in de mate waarin bodemverdichting is aangetoond of waarin een vermoeden bestaat van verhoogde verdichting. De diepte van de metingen liggen globaal op 20, 40 en 60 cm-mv, waarbij vooral gelet is op de mate van verdichting in het profiel. Om dit te bepalen zijn indringingsweerstanden (penetrologger) en bulkdichtheid (MS-Rho) gedurende twee jaar gemeten (2022 en 2023); de tensiometers en vochtmeters zijn permanente metingen. De indringingsweerstand en bulkdichtheid zijn een aantal keren per jaar gemeten. De volgende drie testlocaties zijn geselecteerd:

1. Hengelo, proefboerderij De Marke - permanent grasland, beweid.
2. Helvoirt - permanent grasland, beweid. Op dit in het verleden verdichte perceel zijn stroken aangelegd waar met woelen op verschillende diepten is geprobeerd de ondergrondverdichting op te heffen.
3. Reusel, akkerperceel op zandgrond, geïrrigeerd.

Waterretentiecurve

De waterretentiekarakteristiek werd bepaald door de drukhoogte uit te zetten tegen het vochtgehalte; het geeft de relatie weer van de mate waarin de bodem water kan opslaan en kan vasthouden. Onder andere grondsoort, textuur en verdichting hebben een grote invloed op de vorm van de waterretentiekarakteristiek.

Hysteresecurve

Omdat de in-situ metingen van de waterretentiecurve onder wisselende uitdrogende en vernattende omstandigheden plaatsvond kregen we ook informatie over het zogenaamde hysteresedomein van de curve. Daarmee kan in beeld worden gebracht of bodemverdichting een effect heeft op de waterhuishouding in geval van uitdroging en vernatting. Verder werd zo goed mogelijk een relatie gelegd tussen de mate van verdichting en de vorm van de waterretentiecurves. Deze waterretentiecurves waren vervolgens inputparameters voor het SWAP (Soil-Water-Atmosphere-Plant) model. Daarmee is berekend wat de invloed is van (ver)dichte lagen op het waterbergend vermogen tijdens natte periodes en het water leverend vermogen tijdens droge periodes.

Resultaten

Bruikbaarheid van de metingen

Helaas zijn niet alle metingen bruikbaar gebleken voor het bepalen van de waterretentie- en hysteresecurve:

• Hengelo: Voor twee van de drie meetlocaties zijn de metingen minder geschikt voor het analyseren van hysterese vanwege het relatief nat blijven. Alleen De Marke 3 lijkt bruikbaar te zijn.
• Helvoirt: De gegevens van Helvoirt ontbreken deels of geven geen goed beeld van het drukhoogteverloop en zijn dus helaas niet bruikbaar.
• Reusel: Voor 2 van de 3 meetlocaties bevatten de meetreeksen te veel gaten en zijn niet volledig en bovendien niet realistisch genoeg voor verdere interpretatie. Alleen Reusel 3 lijkt voor een deel van de meetperiode bruikbaar te zijn.

Voor de locaties De Marke 3 en Reusel 3 zijn de meetgegevens voldoende geschikt voor verdere interpretatie. Met de meetgegevens willen we inzicht krijgen in het effect van hysterese op cycli van verdroging en vernatting. 

Voor De Marke 3 lijkt alleen op 25 cm diepte sprake te zijn van hysterese (zie onderstaande grafieken): In de meetreeks is eerst verdroging te zien (rood naar grijs) en vervolgens vernatting (naar blauw), waarbij een zeker watergehalte bij een lagere drukhoogte wordt bereikt dan in de eerste verdrogingscyclus. Dit is een klassiek voorbeeld van hoe hysterese werkt. 

Voor Reusel 3 lijkt hysterese op 40 en 60 cm-mv herkenbaar, waarbij de vernatting op het laatste wel heel erg stijl lijkt te verlopen (zie onderstaande grafieken).

Of sprake is van verdichting van de tweede laag kan worden aangetoond met de gemeten watergehalten. Bij een verdichte laag is het poriëngehalte (de porositeit) lager dan bij een niet verdichte laag en daarmee ook het watergehalte bij verzadiging. In onderstaande linkertabel zijn de hoogste gemeten watergehalten weergegeven van alle meetpunten. Hierbij zijn de hoogste waarden met een groene kleur gemarkeerd en de laagste (wellicht verdichte) lagen met rood. Om de vergelijking visueel eenvoudiger te maken zijn per locatie de waarden uit de linker tabel lineair geschaald op laag 1, die de standaardwaarde 0.4 heeft gekregen; dit is dan de rechter tabel. In de rechter tabel zouden dan, onder voorwaarden, de verdichte lagen zichtbaar moeten worden in de vorm van substantieel lagere verzadigde vochtgehalten. Dit is duidelijk het geval bij Marke 3 laag 3, Reusel 3 laag 2 en 3. De voorwaarde die hierbij geldt is dat bij alle hoogst gemeten vochtgehalten in laag 1 deze verzadiging ook optreedt bij de 'verdichte' laag. Of dit daadwerkelijk het geval is, is niet aan te tonen. 

Vernieuwend

Dit onderzoek richtte zich op het direct in het veld meten van de gevolgen van verdichting op de waterkarakteristiek van de bodem in plaats van het alleen vaststellen van de mate van verdichting. Verder zijn er in dit onderzoek vernieuwende in-situ technieken, zoals de polymeer-tensiometers gebruikt. Tenslotte is specifiek de focus op zandgronden die een heel ander verdichtingsproces (minder samendrukken, meer vervorming) hebben dan gronden met hoge kleigehaltes. 

Per meetplek werden per diepte meetreeksen verkregen van volumetrisch watergehalte en drukhoogte. Deze metingen zijn grafisch tegen elkaar uitgezet, hetgeen een in-situ waterretentiekarakteristiek oplevert voor de betreffende diepte/laag. Voor vergelijkbare diepte van de andere meetplekken met verschillende mate van dichtheid ondergrond konden deze relaties onderling vergeleken worden. Dit is in beperkte mate gelukt; e.e.a. wordt in deze rapportage verder uitgelegd.