KAD handleiding

Wat is klimaat-adaptieve drainage (KAD)?¶

KlimaatAdaptieve Drainage (KAD) geeft een agrariër de mogelijkheid om water te draineren en vast te houden in de bodem van een perceel, door een netwerk van drainagebuizen dat via een verzameldrain uitmondt in een regelput. KAD is een regelbaar drainagesysteem dat online en traploos stuurbaar is. Hierdoor kan het naast draineren ook vasthouden van water in de bodem, dat mogelijk leidt tot minder behoefte aan aanvoerwater tijdens een droge periode. Daarnaast kunnen hiermee piekafvoeren door drainage op oppervlaktewater, die het gevolg zijn van een grilliger neerslagpatroon en afvoer van water, gereduceerd worden. De bodem wordt dan een middel om effectiever en meer duurzaam waterbeheer te dienen Eertwegh et al., 2015, als de agrariër tijdig de drainage remt en water vasthoudt, via de bediening van het KAD-systeem.

Figure 1 toont de werking en het principe van KlimaatAdaptieve Drainage. Het systeem bestaat uit een samengesteld, peilgestuurd drainagesysteem op een perceel en een elektronische regelaar voorzien van een stelmotor, waterpeilsensor, telemetrie en zonnepaneel bij de verzamelput. Het systeem bevat een regenmeter , een grondwaterpeilsensor in het perceel en een waterpeilsensor in de peilput. De regelaar is via internet bedienbaar en de stand ervan wordt steeds gemeten. De drainagebasis kan traploos 60 à 70 cm in hoogte variëren door de balg (rechts op de figuur) in de regelput te bedienen. De regelaar werkt op zonnepanelen op accu’s of via netspanning. Data van de stand van de balg, het beheer van de balgstand en waarnemingen worden real-time bevraagt, online opgeslagen in een databank en gevisualiseerd in een dashboard.

KAD-systeem in het veld¶

Opbouw controleput voor peilsturing¶

Bij de landbouwers in het sKAD project waren de bestaande putten te klein in diameter om rechtstreeks om te vormen, het binnenwerk met balg paste er niet in. Daarom werd de bestaande put verwijderd en vervangen door een put met een diameter van 500 mm, zodat er voldoende ruimte is voor de balg (Figure 3). De put wordt ook dieper, zodat we nog steeds de gewenste diepste drainagediepte bereiken bij volledig opgevouwen balg.

Het doel van het KAD systeem is het gebruiksvriendelijk beheer van grondwaterstand op perceelniveau door de landbouwer. Dit wordt gefaciliteerd door de geautomatiseerde put en de real-time metingen, waardoor we via veldwaarneming zicht krijgen op de combinatie van de waterstand in de regelput, de stand van de balg en de grondwaterstand tussen twee drains als ‘effect-indicator’. Hiermee kan bezien worden of via de sturing van het systeem de gewenste grondwaterstand bereikt wordt.

De KAD opstelling in het veld¶

Figure 5 toont de uitvoering van de KAD opstelling binnen het project sKAD door KnowH2O.

Voor het correct interpreteren van grondwaterstanden en waterstanden in de regelput voor het beheer, is het noodzakelijk om alle metingen om te rekenen naar een gemeenschappelijke referentie. Grondwaterstanden worden meestal gemeten als waterhoogte in een peilput in de eenheid meter onder het maaiveld (m-mv), maar door topografie etc., geeft dat niet meteen een correcte weergave van het stijghoogteverschil tussen twee posities in het perceel. Dat verschil in stijghoogte bepaalt echter in welke richting het grondwater gaat stromen. We moeten de gemeten waardes dus omrekenen met een gemeenschappelijke referentiewaarde. In België is die referentie de tweede algemene waterpassing (TAW). Om de omzetting naar m-mv en mTAW te kunnen doen is het belangrijk om een goed zicht te hebben op de dieptes en dimensies aangegeven in onderstaande figuren.

KAD bediening via online dashboard¶

Het KAD dashboard zoals gerealiseerd door KnowH2O kan je terugvinden op http://cad-assistant.eu/jouw-achternaam/. Elke gebruiker heeft dus zijn eigen dashboard, waar hij/zij apart moet inloggen.

Het dashboard heeft verschillende functionaliteiten:

1. Status van het systeem en grondwaterstand te bekijken
2. Balgstand veranderen: draineren (balg omlaag) of water vasthouden (balg omhoog)
3. Locale weersverwachtingen te volgen
4. Referentie hoogtes opgeven en inzichten voor probleemdiagnose
5. History van het systeem en grondwaterstand te bekijken

Status en standen¶

Het waterpeil in het perceel wordt typisch niet enkel gestuurd door de drainagebuizen in het perceel, maar ook door de waterstand in de grachten of waterlopen die het perceel omringen. Die kunnen vrij afwateren, maar er kan ook een beheer plaatsvinden met stuwen of andere infrastructuur die al dan niet door de landbouwer zelf beheerd wordt. Om een volledig zicht te krijgen op deze factoren, is het ook aangewezen om informatie over de waterpeilen in de omliggende grachten/waterlopen mee te nemen in het beheer van de regelbare drainage. Omgekeerd dienen andere waterbeheerders en autoriteiten zich ook bewust te zijn van deze interactie. Wanneer het waterpeil in de waterloop bijvoorbeeld hoger is dan de afloop van de controleput, kan er de facto niet ontwaterd worden in het perceel via de regelput.

Referentiehoogtes en probleemdiagnose¶

Stand van de balg veranderen¶

Bediening¶

Reactiesnelheid vaststellen¶

TO DO, wat info over hoe de historische data visualiseren in het dashboard zodat boeren ook kunnen nakijken hoe lang het typisch duurt tussen aanpassing in de put en aanpassing in het veld.

Voorbeelden van typische voorkomende situaties en indicaties beheer¶

Groeiseizoen - bediening voorbeeld (1)¶

Situatieschets: grondwaterstand acceptabel/goed en staat om en nabij stand balg. Het blijft droog of er is weinig neerslag in weersverwachting.

Actie:

1. niets doen als er nog weinig verdamping is of
2. de balg hoger instellen bij hogere verdamping de komende dagen; dan eventuele neerslag niet tot afvoer laten komen

Groeiseizoen - bediening voorbeeld (2)¶

Situatieschets: grondwaterstand acceptabel/goed en staat om en nabij stand balg. Het gaat duidelijk regenen – er wordt de komende dagen neerslag verwacht. Grondwaterstand mag de komende dagen stijgen, geen probleem.

Actie:

1. de balg hoger instellen, neerslag die gaat vallen wordt vastgehouden, grondwaterstand stijgt en blijft dan hoger, of
2. niets doen en balgstand zo laten, grondwaterstand zal stijgen met neerslag, daarna weer dalen tot balgstand

Groeiseizoen - bediening voorbeeld (3)¶

Situatieschets: grondwaterstand acceptabel/goed en staat om en nabij stand balg. Het gaat duidelijk regenen – er wordt de komende dagen neerslag verwacht. Grondwaterstand mag de komende dagen niet stijgen.

Actie:

1. de balg lager instellen, grondwaterstand daalt, neerslag die gaat vallen leidt tot hogere grondwaterstanden waarna afvoer plaatsvindt bij de lagere balgstand;
2. kijk na afloop van neerslag of gewenste grondwaterstand bereikt is. Pas daarop eventueel balgstand daarop aan (omhoog of omlaag).

Groeiseizoen - bediening voorbeeld (4)¶

Situatieschets: grondwaterstand is te hoog en staat om en nabij stand balg. Er wordt de komende dagen geen neerslag verwacht.

Actie:

1. de balg iets lager instellen, grondwaterstand daalt, neerslag die gaat vallen leidt tot hogere grondwaterstanden waarna afvoer plaatsvindt bij de lagere balgstand;
2. kijk na afloop van neerslag of gewenste grondwaterstand bereikt is. Pas daarop eventueel balgstand daarop aan (omhoog of omlaag).

Groeiseizoen - bediening voorbeeld (5)¶

Situatieschets: grondwaterstand is te hoog en staat om en nabij stand balg. Er wordt de komende dagen neerslag verwacht.

Actie:

1. de balg duidelijk lager instellen, grondwaterstand daalt, neerslag die gaat vallen leidt tot hogere grondwaterstanden waarna afvoer plaatsvindt bij de lagere balgstand;
2. kijk na afloop van neerslag of gewenste grondwaterstand bereikt is. Pas daarop eventueel balgstand daarop aan (omhoog of omlaag).

Groeiseizoen - bediening voorbeeld (6)¶

Situatieschets: grondwaterstand is te laag en staat om en nabij stand balg. Er wordt de komende dagen geen neerslag verwacht.

Actie: de balg zo laten staan, niets doen.

Groeiseizoen - bediening voorbeeld (7)¶

Situatieschets: grondwaterstand is te laag en staat om en nabij stand balg. Er wordt de komende dagen neerslag verwacht.

Actie: de balg hoger instellen, om zoveel mogelijk neerslag vast te houden.

Onderhoud van het KAD systeem¶

Het KAD systeem heeft elektronische en mechanische onderdelen die onderhoud behoeven. Het onderhoud is in de eerste plaats preventief, maar kan ook kleine reparaties vergen. De eigenaar/landbouwer is de belangrijkste speler in het onderhoud, ondersteund door de KAD-installateur of een lokale-regionale partij via bijvoorbeeld een service-contract. De werking van het systeem begint met de toestroom van grondwater via drainagebuizen naar de KAD regelput en afvoer na passage van de put. Dat deze stroming goed verloopt is een eerste vereiste. Daarbij is ook het waterpeil in de watergang aan de afvoerzijde van de regelput van groot belang. Het is belangrijk dat de eigenaar/landbouwer de toestand van de drainage en het KAD-systeem regelmatig bekijkt via het dashboard (bij voorkeur dagelijks, maar vooral voor, tijdens en na regenval). Bij onregelmatigheden moet het KAD systeem in het veld geïnspecteerd worden.

Het is raadzaam een service-contract af te sluiten met de KAD leverancier, met tenminste eenmaal per jaar standaard een veldbezoek voor inspectie en onderhoud (in nazomer, vóór de herfst/winter, ruim vóór oogst). Bij problemen buiten het jaarlijks onderhoud vastgesteld door de landbouwer, kan deze ook op aanvraag beroep doen op het servicecontract.

Onderhoudsacties¶

KAD heeft een spindel die draait, waarmee de drainagedrempel wordt afgesteld via de stand van de balg. De aandrijving daarvan vindt plaats via een kleine motor. Deze wordt aangestuurd via telemetrie en een potmeter levert de stand van de balg op. De sensor in de regelput levert de waterstand in de put buiten de balg op. Er zit ook een sensor in de grond voor de meting van de grondwaterstand.

Goede werking van het systeem nakijken¶

Allereerst mag er geen sprake zijn van buisbreuken en/of verstoppingen. KAD heeft een spindel die draait, waarmee de drainagedrempel wordt afgesteld via de stand van de balg. Deze spindel moet goed kunnen draaien. De balg moet goed vastzitten, netjes toevouwen en opengaan en niet lekken.

Dagdagelijks onderhoud door de eigenaar/landbouwer¶

• KAD dashboard: elke dag, of tenminste tijdens en na regenval nakijken of er geen abnormale pieken of net gebrek aan reactie van de grondwaterstand op regenval merkbaar is.
• Zonnepanelen schoonhouden
• Visuele inspectie in het veld bij vreemde en/of onverwachte waarnemingen en in elk geval een paar maal per jaar, incl. peil watergang waarop geloosd wordt
  • Handmatig in veld de balg heen en weer laten bewegen, helemaal van beneden naar boven v.v. (2x) ; balg lekt niet, spindel draait
  • Handmatig waterstand in put buiten de balg meten, vergelijk met waarde in dashboard
  • Handmatig grondwaterstand meten, vergelijk met waarde in dashboard
• Spindel licht smeren (2x/jaar: na zomer en na winter)

Jaarlijks onderhoud KAD leverancier¶

• Waterstanden handmatig meten en, indien nodig, waarden in dashboard corrigeren (grondwaterstand, balgstand drainagedrempel, waterstand put buiten balg)
• Veldbezoek voor doormeten potmeter, eventueel kalibratie, motor controleren, energievoorziening controleren (zonnepaneel, laadregelaar, accu, kabels). Terugkoppeling naar landbouwer.
• Werking sensoren nakijken en vervangen indien nodig (nieuwe sensor zit NIET in het servicecontract inbegrepen). Druksensoren en regenmeter gaan naar verwachting een aantal jaren mee (3-5 jaar).

Troubleshooting¶

Datadeelplatform¶

Het datadeelplatform www.skad.be heeft als doel om landbouwers met een KAD systeem inzicht te geven in hun drainagebeheer tov dat van buren. In de applicatie kunnen ze de gemeten grondwaterstanden van alle deelnemende landbouwers in hun regio raadplegen. Op die manier kunnen landbouwers geïnformeerde beslissingen nemen over hun drainagebeheer en is er een stimulans om te overleggen en eventueel op een meer collectieve manier de grondwaterstanden te beheren.

Om de volledige informatie te zien, moet je eerst inloggen en toestemming geven om de gegevens van je eigen KAD dashboard met het datadeelplatform te delen. Dit kan met een DjustConnect-account. Op de Homepagina krijg je de onderstaande afbeelding te zien. Via de blauwe knop kun je inloggen. \

Vervolgens krijg je de mogelijkheid om je aan te melden:

Na inloggen zijn er verschillende opties. Indien je nog geen toestemming hebt gegeven of toestemming weigert, krijg je onderstaand scherm te zien dat de status van de toestemming voor zijn KBO of KBO’s toont.

Toestemming geven of weigeren kan via het DjustConnect platform. Via de Djustconnect link in de kader komt de gebruiker in DjustConnect. Kies daar voor de datategel “DEMO-toepassing: SKAD Water Inzicht”, hieronder aangeduid met rood.

Vervolgens kun je het datadeelplatform toestemming geven of weigeren om toegang te krijgen tot de coördinaten van je percelen en de data verzameld door het KAD systeem. Voorlopig is dit enkel uitgewerkt voor systemen beheerd en geplaatst door KnowH2O.

Na goedkeuring kan je teruggaan naar het platform www.skad.be. Daar werd de toestemming automatisch mee aangepast. Indien je meerdere KBO’s hebt, kun je hier doorklikken naar de ‘Overzichtskaart’ voor het KAD systeem van het KBO dat je wil bekijken. Indien er maar 1 KBO is, dan wordt de gebruiker automatisch doorgestuurd naar de ‘Overzichtskaart’.

Overzichtskaart¶

Op de overzichtskaart kun je je data voor dat KBO raadplegen. De kleur van het ronde icoon op de kaart toont of het KAD systeem actief draineert (groen) of niet (blauw)(Of het systeem actief draineert, evalueren we als volgt: Als de grondwaterstand + 5cm hoger is dan de stand van de balg dan zet de applicatie de status op IsDraining en dan is de cirkel groen.). De openklapbare menu’s onder de kaart tonen de kaartlegende met uitleg, de actuele data en data van de laatste 30 dagen.

Boven de kaart wordt de toestemming gevraagd aan de gebruiker om gegevens te delen met andere gebruikers. Indien de gebruiker hiervoor kiest, dan worden de gegevens van de andere gebruikers ook zichtbaar in de overzichtskaart en in de grafieken van de grondwaterpeilen en de standen van de balg.

Indien de gebruiker meerdere KBO’s heeft, dan is het mogelijk om via de link “Terug naar de lijst” een ander KBO te selecteren.

Achtergrondinformatie¶

In wat volgt kan u wat achtergrond vinden over waarom drainage al dan niet noodzakelijk is, welke verschillende strategieën er bestaan, wat de impact is op teelten en hoe snel zo’n systeem ongeveer reageert. Meer informatie kan je ook vinden in het Handboek regelbare drainage. Wil u graag echt diep duiken in de theoretische achtergrond rond drainage in het algemeen, dan is Drainage principles and applications een lijvig en compleet referentiewerk Oosterbaan et al., 1994.

Uitleg drainage en (agro)hydrologie perceel¶

Naast neerslagoverschot kan ook “kwel” zorgen voor verhoging van het grondwaterpeil. Kwel is grondwater dat onder druk aan de oppervlakte uit de bodem komt, of minstens kort naar de bodemoppervlakte wordt opgestuwd. In het algemeen ontstaat kwel door een ondergrondse waterstroom van een hoger gelegen gebied naar een lagergelegen gebied zoals de onderstaande figuur illustreert.

In een kwelzone wordt het grondwaterpeil dus niet enkel bepaald door het neerslagoverschot, maar ook door aanvoer van grondwater van een hoger gelegen zone. Deze hoger gelegen zone kan kortbij, maar ook verafgelegen zijn, soms meerdere kilometer ver. De kwelzones zelf komen voor in lagergelegen zones, in valleien, waar dan ook een beek of gracht dat grondwater afvoert. Maar soms kan kwel ook voorkomen waar geen gracht of beek bestaat door de samenstelling van de ondergrond.

Kwel kan het gehele jaar voorkomen, of soms enkel in de winterperiode belangrijk zijn. Kwel kan ook dermate intensief zijn dat bronnen ontstaan. Essentieel bij kwel is dat het grondwaterpeil van nature ondiep ligt en mee bepaald wordt door toestromend grondwater. De kwaliteit van het water in de kwelzone wordt dan ook niet alleen bepaald door het insijpelende neerslagoverschot in de kwelzone, maar ook door het water dat van verder toestroomt.

Kwel en drainage¶

Kwelzones werden in het verleden voor landbouw of bosbouw in de mate van het mogelijke kunstmatig ontwaterd, door grachten of rabatten, of ook door buizendrainage. Drainage van kwelzones zorgt voor een betere betreedbaarheid, minder bodemstructuurschade, een verbeterde nutriëntenbenuttiging, soms de mogelijkheid tot omvorming naar akkerland, hogere grasproductie of andere landbouwopbrengsten, houtopbrengsten, enz. Echter, door de drainage van kwelzones wordt niet alleen het neerslagoverschot afgevoerd naar oppervlaktewaters. Ook het toestromende grondwater wordt via de drains versneld naar de beek gevoerd, en dit soms het hele jaar door. Door de verlaging van het grondwaterpeil op het perceel zal deze grondwatertoestroming toenemen en zal het grondwaterpeil hogerop, soms op grote afstand van het perceel, ook geleidelijk aan dalen. Zo wordt door de drainage water uit het landschap intensiever afgevoerd naar het oppervlaktewater en uiteindelijk naar de Noordzee. Dat gebeurt ook daar waar dit landbouwkundig niet gewenst is. De bodems en percelen hogerop verdrogen op lange termijn.

Drainage van een perceel kan het landschap in de wijde omgeving verdrogen en bijdragen aan een algemene grondwaterpeildaling over de jaren heen. Naarmate kwel gedraineerd wordt kan het verdrogingseffect in de wijde omgeving aanzienlijk belangrijker worden. Bijkomend kan het waterafvoerend systeem stroomafwaarts van de kwelzone de toename van het debiet soms niet aan, waardoor er percelen langs de gracht daar tijdelijk overstromen.

Peilgestuurde drainage in kwelgebied¶

Hoewel ook bij een peilgestuurde drainage kwelwater via de bodem, oever en beekbodem naar het oppervlaktewater blijft stromen is de totale afvoer significant minder dan bij klassieke drainage. Een peilgestuurde drainage zal het landschap daardoor aanzienlijk minder laten verdrogen dan een klassieke drainage dit doet. Bijkomend zal, na het sluiten van de drainage, de toestroming van grondwater ervoor zorgen dat het grondwaterpeil sneller terug zal stijgen, of in het voorjaar minder snel zal dalen. De peilgestuurde drainage zal door kwel dan ook aanzienlijk beter werken en meer renderen dan wanneer geen kwel voorkomt en het grondwaterpeilherstel enkel kan gebeuren door neerslagoverschot. Het is dus zeer belangrijk om onmiddellijk na de bodembewerking de peilgestuurde drainage terug af te sluiten en de drainageduur zo kort mogelijk te houden. Hierdoor zal het kwelwater niet langer naar het oppervlaktewater afgevoerd worden en kan het grondwaterpeil snel terug stijgen.

Zeker indien kwel voorkomt (en indien de andere bodemeigenschappen het toelaten) kan men er vrijwel steeds van uitgaan

• dat peilgestuurde drainage zeker te verkiezen is boven een klassieke drainage,
• of dat omvorming van een klassieke drainage naar peilgestuurde drainage gewenst is, en loont, zodat de drainage meer klimaatrobuust wordt: verhoging van de landbouwopbrengsten en tegengaan van algemene verdroging.

Omvorming van een klassieke drainage naar peilgestuurde drainage in kwelgebied heeft dan ook het tweevoudig voordeel:

• beter herstel van het grondwaterpeil na drainage met hogere opbrengsten tot gevolg en dus een hoger rendement van de investering;
• vermindering van de grondwatertoestroming en tegengaan van verdroging van het landschap.

Samenvattend het uiteindelijke doel van klimaatadaptieve drainage om grondwater zo weinig mogelijk af te voeren. Dat doen we door niet af te voeren wanneer dat niet nodig is voor een rendabele productie en water daar vast te houden waar de neerslag valt (1). Als drainage nodig is, behouden we liefst de drainagedrempel zo lang mogelijk hoger dan de grondwaterstad (2), zodat de grondwaterstand gelijk blijft of hoger wordt bij neerslag. Bij overstromingsrisico kan er preventief gedraineerd worden om voldoende buffercapaciteit te hebben voor de voorspelde regenval in de bodem.

Draineren¶

Toelichting drainage via een regelbaar samengesteld systeem met regelput

Als je grondwater op een perceel wilt afvoeren via drainage, dan moet de grondwaterstand boven de drains uitkomen. Als dan de drainagedrempel in de regelput via de balg lager wordt gezet dan de grondwaterstand én het waterpeil van het ontvangend oppervlaktewater lager is dan de stand van balg, dan vindt afvoer plaats en daalt de grondwaterstand.

Gewassen en gewenste grondwaterstand¶

Grondwaterdynamiek en invloed op de teelt¶

Drainage heeft als doel om de grondwaterstand in een perceel te verlagen om de bewerking van het perceel mogelijk te maken en/of om de groeiomstandigheden voor het gewas te verbeteren en de productie te verhogen. In het eindrapport van het project PEILIMPACT kan u meer informatie vinden over hoe gewassen en landbouwproductie in het algemeen beïnvloedt wordt door de grondwaterstand. Onderstaande figuur, afkomstig van de werkgroep Waterwijzer Landbouw in 2018, toont hoe de grondwaterstand enerzijds de oogst gaat beïnvloeden via het al dan niet bijdragen of mitigeren van stress (zuurstofstress - te nat of vochtstress -te droog) en anderzijds door de gewaskalender te beïnvloeden als de bodem te nat is om bijvoorbeeld met het ploegen of zaaien te kunnen beginnen.

In de klassieke drainageliteratuur en in eerdere rapporten Eertwegh et al., 2015Estrella et al., 2023Bakel et al., 2005Eertwegh et al., 2013 werden tabellen met richtwaarden en modellen ontwikkeld. In Nederland werd hiervoor recent het instrumentarium Waterwijzer Landbouw uitgewerkt, dat de HELP tabellen moet vervolledigen. Zowel de HELP tabellen als het meer dynamische model van WWL geven heel wat informatie over wat een optimale grondwaterstand zou kunnen zijn voor een bepaalde teelt op een bepaalde locatie. Toch blijft het een delicate evenwichtsoefening tussen wat theoretisch voorspeld wordt en wat op het terrein waargenomen wordt. Deze informatie gebruiken én vinger aan de pols houden op het perceel is de boodschap. Hieronder vatten we een aantal aandachtspunten en vuistregels samen.

Bodem sturend¶

De wisselwerking tussen grondwater en gewasopbrengst wordt voornamelijk bepaald door de bodemtextuur en de weersomstandigheden (Feddes, 1971). De waterretentiekenmerken van de bodem regelen de infiltratie door de wortelzone en de capillaire opstijging (Zipper et al. , 2015), terwijl jaarlijkse variaties in de weersomstandigheden de relatie tussen grondwater en opbrengst veranderen (Feddes, 1971).

De grondwaterstand en bodemtype hebben ook indirect een invloed op de landbouwpraktijk. Voor akkerbouwgewassen worden verschillende machines gebruikt voor voorbereidende werkzaamheden (d.w.z. grondbewerking), zaaien of planten en oogsten. De start van elk van deze fasen moet worden uitgesteld als de bodem te nat is voor de machines om het veld te betreden, of te koud om het zaad te laten ontkiemen. Waterwijzer Landbouw bepaalt dit op basis van een zuigspanningscriterium. Op 15 cm diepte moet worden voldaan aan een bepaalde zuigspanning voordat met voorbereidende werkzaamheden, zaaien of oogsten kan worden begonnen, hetgeen afhankelijk is van bodem- en gewaseigenschappen.

Verdamping - na neerslag grootste post op de waterbalans¶

Naast de grondwaterstand en de bodem, heeft het weer een grote invloed op de werking van een drainagesysteem. Na neerslag is verdamping de grootste post in de waterbalans. Verdamping via de planten i.c. het blad (transpiratie (T)), maar ook verdamping vanaf de bodem (evaporatie (E)) en vanaf het blad na vernatting door neerslag en/of beregening (interceptie-verdamping (I)).

Verdamping van water naar de lucht is gedreven door de weersomstandigheden (o.a. zonnestraling, temperatuur, wind en luchtvochtigheid), het gewas en varieert dus doorheen het jaar. We geven een aantal grootte-ordes van de referentiegewas-verdamping hieronder voor Vlaanderen.

Onderstaande figuur toont een schatting van de verdamping (E+T) voor een referentiegewas, nl. een goed geïrrigeerd gras. Deze kan omgezet worden in een schatting voor verschillende teelten door een gewasfactor toe te passen. Als die factor groter is dan 1, verdampt het gewas potentieel meer dan gras. Of dat ook werkelijk zo zal zijn, hangt af van stress-factoren in het veld (te droog, te nat, …).

FAO heeft een hele reeks gewasfactoren ontwikkeld, die je hier terug kan vinden. Een andere overzicht voor de referentiegewas-verdamping volgens Makkink ETref (Makkink, 1957) staat hieronder in Figure 30.

Wil je de wateropname en transpiratie van je teelt voorspellen en beïnvloeden tijdens het groeiseizoen, dan heb je nog twee extra aspecten nodig: de teeltkalender met zaai- en oogstdatum en een schatting van de bewortelingsdiepte.

Gewenste grondwaterstand - een theoretisch voorbeeld

Voor grasland op zand en klei ziet diepte van de beworteling en de gewenste grondwaterstand in de tijd (maanden van het jaar) er ongeveer als volgt uit:

Als de graswortels na de winter groeien en een grotere diepte bereiken, dan zakt de gewenste grondwaterstand mee, anders is de toestand op het perceel te nat en treedt zuurstofstress op.

De afstand tussen de diepte van de wortels en de gewenste grondwaterstand is op zand kleiner dan op klei. Dit komt omdat de capillairen op klei hoger reiken dan op zand (pF-curve). De ontwatering van grasland op klei is dus groter dan voor grasland op zand.

Verwachte reponstijd van sturing¶

Als de balg in de KAD regelput omlaag wordt gestuurd, dan betekent dit niet dat de grondwaterstand op het perceel instant verandert. Dit kost tijd. Naarmate de bodem meer doorlatend is en de afstand tussen drainagebuizen kleiner is, dan gaat het sneller van sturing (balg) naar effect (grondwaterstand). Een zandgrond van lichte textuur heeft daarom een kortere responstijd dan een kleigrond van zware textuur.

Van lichte naar zware bodemtextuur gaat het als volgt:

1. responstijd neemt toe: eerder beginnen met sturen, en

2. capillaire opstijging neemt toe: verder zakken met gewenste grondwaterstand.

Hiermee zal in het veld, elk veld, ervaring moeten worden opgedaan door de agrariër in de praktijk. Enige kentallen voor de responstijd zijn: voor zand 1 à 3 dagen, voor klei: 4 à 6 dagen. Experimenteren en leren is dus het devies: lokaal ervaring opdoen en als doende leren.

De responstijd van ‘balg omhoog’ op de grondwaterstand hangt naast van de textuur natuurlijk ook af van het neerslagoverschot dat ondertussen richting grondwater stroomt na de laatste bui en de neerslag die nog zal vallen.

Bijlagen¶

Informatie modelberekeningen optimale grondwaterstand & waarschuwingen KAD systeem¶

Auteur: Erika Lucia Rodriguez Lache

Klimaatadaptieve drainage kan volledig volautomatisch verlopen op basis van een bodem-gewas model (bvb SWAP-WOFOST) en data over grondwaterstand en weersomstandigheden + weersvoorspelling voor de komende week. De modelsimulaties analyseren dan real-time met welke grondwaterstand de optimale gewasgroei en grondwateraanvulling realiseert. Dat vereist echter vertrouwen in het model. Vermits de data om het goed te kalibreren beperkt zijn voor de deelnemende percelen en het model dus nog niet altijd optimaal de realiteit weerspiegelt, kozen de landbouwers in dit project ervoor om een gemiddelde drempelwaarde van grondwaterstand te bepalen voor hun perceel en gewas en waarschuwingen te ontvangen wanneer de reële grondwaterstand te hoog/te laag werd. Dat is een vereenvoudiging van de realiteit, maar wel een eerste stap naar een meer dynamische peilbeheer en naar het inzetten van data en modellen als beslissingsondersteunende tools. In wat volgt beschrijven we hoe we deze drempelwaardes trachtten te bepalen voor de 3 percelen in kwestie en welke hindernissen we daarbij tegenkwamen.

Locatie en eigenschappen percelen met KAD prototype¶

Binnen het project sKAD namen 3 landbouwers deel met elk 1 perceel waar de manuele peilgestuurde drainage omgevormd werd naar een KAD systeem. Deze percelen liggen allen in het stroomgebied van de kleine Aa rond Kalmthout en Essen in de provincie Antwerpen. Twee percelen grenzen aan de rivier en één ligt op 500 m ervandaan.

In de afgelopen jaren ondergingen de percelen PEE_B en OOS_C een rotatie van gras en maïs, terwijl het perceel STE_W gebruikt werd voor boomkwekerij.

KAD simulations using the SWAP model¶

Modelconcept en parameters¶

Om de grondwaterdrempels in de drie percelen te definiëren, gebruikten we het 1D-model SWAP Kroes et al., 2017 met de basis drainage module. Aangezien de waterdruksensoren eind 2023 zijn geïnstalleerd in de peilbuizen, gebruikten we de data van 2024 voor modelkalibratie. We kalibreerden de volgende parameters:

• de verticale weerstand van de watervoerende laag (RIMLAY),
• de gemiddelde waterdruk in de onderliggende watervoerende laag (AQAVE),
• de drainageweerstand van het peilgestuurde drainagesysteem (DRARES2)
• in de percelen PEE_B en OOS_C werd een tweede afwateringsniveau met een andere drainageweerstand (DRARES1) toegepast om de invloed van de Kleine Aa op het landbouwperceel weer te geven

We bepaalden de optimale gemiddelde grondwaterstand van elk perceel en hun relevante teelten met simulaties van de jaren 2019 (2021 voor STE-W) tot 2024. Voor meer informatie ivm het opzetten van SWAP voor dit soort analyses, zie Rodríguez Lache et al., 2025 en Kroes et al., 2017.

Figure 33 geeft weer hoe klimaatadaptieve drainage geïmplementeerd werd in het model. Gedurende 10 dagen voor het zaaien en voor het oogsten brachten we de ‘balg’ op de maximale drainagediepte. Dit beschouwen we als het ‘conventioneel beheer’ van een peilgestuurd drainagesysteem om perceel berijdbaar te maken voor machines. Het basisdrainageniveau was 100 cm voor PEE_B en OOS_C velden en op 120 cm voor STE_W veld (i.e. de geschatte diepte van bestaand drainagesysteem). We testten 3 mogelijke standen van de balg in het KAD systeem in de simulaties: 40, 60 en 80 cm onder het maaiveld. Klimaatadaptieve drainage als volgt geïmplementeerd tijdens het groeiseizoen: wanneer het grondwaterpeil de opgelegde drempel overschrijdt, gaat de balg gedurende twee opeenvolgende dagen volledig naar beneden. Na deze periode wordt het drainageniveau teruggezet naar de drempelwaarde. Als het grondwaterpeil na de twee dagen boven de drempel blijft, blijft de balg open totdat het grondwaterpeil onder de drempel daalt.

Voor elk perceel zijn de lokale omstandigheden in het model opgenomen: bodemkenmerken, weer, gewas- en drainagebeheer. Momenteel werd geen data verzameld over eventuele irrigatiebeurten. Dit zou wel relevant zijn, zeker voor de boomkwekerij, waar regelmatig geïrrigeerd wordt. De hydraulische bodemparameters zijn afgeleid van de Starring-serie uit Nederland Heinen et al., 2020 (de lokale situatie in Essen-Kalmthout is namelijk vergelijkbaar met die van bepaalde regios in Nederland). Deze parameters werden gevalideerd door de Bodemkundige Dienst van België (BDB) (persoonlijke communicatie). De weersgegevens zijn een interpolatie van KMI-weerstations met een ruimtelijke resolutie van 5 km (RMI_DATASET_GRIDDEDOBS, 2025). De gewasparameters komen uit de SWAP databank voor maïs en gras. Het groeiseizoen voor maïs werd beschouwd als van 1 mei tot 1 oktober omdat er geen precieze zaai- en oogstgegevens voorhanden waren. Voor eenjarig gras veronderstelden we: 16 februari tot 16 oktober en voor bomen van 15 januari tot 30 december. De maximale worteldiepte voor gras werd ingesteld op 30 cm, voor maïs op 60 cm en voor (jonge) bomen (voor de sierteelt) op 50 cm. Buiten het groeiseizoen wordt de bodem als onbedekt beschouwd.

De invloed van de Kleine Aa is meegenomen in het model voor de percelen PEE_B en OOS_C, omdat ze vlak aan de rivier grenzen en de grondwaterstand hierdoor beïnvloed wordt. Waterstand- en debietgegevens zijn beschikbaar voor het VMM-station Essen/Kleine Aa (157682.59 , 236702.60) (Waterinfo Vlaanderen, 2025). Om het waterpeil van de Kleine Aa aan de percelen te schatten op basis van gekende meetpunten elders langs de rivier, pasten we de Manning vergelijking toe, rekening houdend met de hoogte van het meetstation, de hoogte van het kanaal op elk perceel en de afstand tussen twee punten. Raadpleeg het sKAD Python script voor meer informatie over deze berekening. De berekende waterstanden in de kleine Aa ter hoogte van de landbouwpercelen zijn dus schattingen. Hoewel deze een idee geven van de trends, moeten de absolute waarden met de nodige voorzichtigheid worden geïnterpreteerd. De algemene dynamiek en de veranderingen in de tijd geven wel een idee van wat er verwacht kan worden aan het perceel.

Python scripts en technische informatie zijn te vinden in de ILVO gitlab XXX public repository.

Bepaling gemiddelde grondwaterdrempels¶

Voor de berekening van de drempelwaarden van grondwaterstanden per landbouwperceel voor de sturing van de balg houden we rekening met de transpiratiereductie. Dat is het verschil tussen de potentiële (Tpot) en werkelijke (Tact) transpiratie. Tpot wordt berekend door het model voor de gegeven weerstomstandigheden, ervan uitgaande er geen zuurstof- of droogtestress optreedt. Tact is de transpiratie op basis van de reële weers- en bodemvochtomstandigheden. Het verschil geeft aan in hoeverre de waterbeschikbaarheid de gewastranspiratie en daarmee de groei van het gewas beperkt. Naast de impact van de gewasgroei heeft KAD ook invloed op andere componenten van de waterbalans, zoals drainage via de drainagebuizen, diepe percolatie en bodemverdamping. Om deze effecten te kwantificeren, omvatte de analyse in dit rapport ook een vergelijking van KAD met conventionele drainage, waarbij water constant wordt afgevoerd zonder regeling.

De optimale grondwaterdrempel is diegene die de gewastranspiratie en de infiltratie optimaliseert.

Resultaten¶

Perceel PEE_B: relatief goede modelresultaten¶

Figure 34 toont data en modelsimulaties voor het perceel PEE_B het jaar 2024 voor de maïsteelt. In 2024 viel er 1085,1 mm regen in het gebied (normaal jaarlijks 837,3 mm) (KMI, 2025). De figuur toont de gesimuleerde grondwaterstanden in het blauw tov de veldmetingen in het rood. De zwarte puntjes tonen de waterstand in de controleput (afhankelijk van de stand van de balg). Die varieert tussen -80 cm en -100 cm (=maximale drainagediepte). Tot de maand juni liggen model en data dicht bij elkaar. In de zomer en vroege herfst is het gesimuleerde waterpeil iets lager dan de waarnemingen. Vooral einde zomer en begin herfst lijkt het model de dynamiek van het grondwater niet te kunnen voorspellen. In de realiteit blijft de grondwaterstand in het veld hoog terwijl de waterstand in de put zakt in oktober.

Rechts op Figure 34 staan de verschillende componenten van de cumulatieve waterbalans uitgedrukt. De gewasgroei wordt weergegeven door gewastranspiratie en bedroeg ongeveer 29,99 cm. De verdamping van de grond was in totaal 21,72 cm, voornamelijk tijdens de periode zonder gewas. Tijdens dit natte jaar werd het grootste deel van de geïnfiltreerde regenval afgevoerd (83,44 cm) omdat de balg mei tot december op een laag niveau stond. De interactie tussen het perceel en de rivier was relatief klein (10,51 cm). Deze interactie vertegenwoordigt laterale stroming: water dat het veld verliet in de richting van de rivier zonder door het afvoersysteem te gaan. Een positieve bodemwaterflux stelt een opwaartse beweging van water vanuit diepere bodemlagen voor, i.e. kwel (in dit geval 41,9 cm).

Figure 35 de transpiratiereductie door droogte- en/of zuurstofstress voor scenarios met verschillende drainagedrempels 40, 60 en 80 cm. Een waarde dicht bij nul geeft aan dat het gewas onder bijna ideale omstandigheden groeit, waardoor het volledige groeipotentieel kan worden bereikt. In de simulaties is de transpiratiereductie groter voor maïs dan voor gras, ongeacht het niveau van de balg. Gras is dus minder gevoelig dan mais voor te natte of te droge omstandigheden. De transpiratiereductie voor maïs was het hoogst bij een drempelwaarde van 40 cm (combinatie zuurstof- en droogtestress). Voor gras daarentegen werd de hoogste reductie waargenomen wanneer de balg op 80 cm onder het oppervlak was ingesteld (zie Table 8, voornamelijk door droogtestress). Voor gras is de impact van het ophogen van het grondwater kleiner omdat de bewortelingsdiepte ondieper gesimuleerd werd (0-30 cm) dan die van maïs. Hoewel de bewortelingsdiepte ondieper ingesteld werd in het model, vertoont gras een hogere weerstand tegen droogte dan maïs. De worteldiepte heeft een belangrijke impact op de modelsimulaties. Een goede inschatting hiervan is dus cruciaal om een realistische weergave van zuurstof- en droogtestress en bijgeval ook actuele transpiratie te krijgen.

Op het perceel PEE-B levert een grondwaterstand tussen 60 en 80 cm de meest optimale groeiomstandigheden op voor maïs. Gras is een stuk robuuster en de simulaties liggen erg dicht bij elkaar voor de verschillende drempelwaarden. Men zou dus kunnen stellen dat daar de maximale hoogte aangehouden kan worden om zowel opbrengst als maatschappelijke baten te optimaliseren.

In Figure 36 betekenen positieve waarden dat KAD voor een verhoging van de desbetreffende flux heeft gezorgd, terwijl negatieve waarden een afname betekenen. In de meeste jaren verhoogt KAD de groei van het gewas (transpiratie). KAD vermindert ook de hoeveelheid drainagewater met ongeveer 18 cm voor maïs en 24 cm voor gras. Met KAD wordt er systematisch meer water op natuurlijke wijze afgevoerd naar de rivier naarmate het grondwaterpeil stijgt. Deze interactie is echter niet hoger dan wat er afvloeit bij traditionele drainage zonder peilsturing ( m.a.w. de absolute waarde van drainage bij klassieke drainage zonder peilsturing is hoger dan die van de interactie veld-rivier bij KAD). Bovendien wordt er met KAD minder kwelwater afgevoerd en is er dus meer kans op grondwateraanvulling.

Perceel OOS_C : complexiteit door ondiepe kleilaag¶

In het perceel OOS_C zit een kleilaag op een diepte van 50 cm (zie Figure 38). In 2024 werd de balg 4x bediend: (I) tot 60 cm van januari tot begin februari, (II) tot 95 cm tot eind maart, (III) tot 110 cm tijdens het belangrijkste groeiseizoen van april tot eind oktober, en (IV) terug naar 55 cm van november tot het einde van het jaar. De figuren tonen dat het model met de processen en parameters zoals die nu werden ingesteld de realiteit van dit perceel niet correct weergeeft. (De rode datapunten verschillen wezenlijk van de blauwe simulatie gedurende de hele simulatieperiode.) Een mogelijke reden hiervoor is de aanwezigheid van een kleilaag in het bodemprofiel, die een hogere waterdruk onder de wortelzone veroorzaakt. Deze kleilaag werd tijdens de installatie van de sensoren aangetroffen op 50 cm diepte en had een dikte van ongeveer 30 cm. De aanwezigheid van deze laag werd ook gerapporteerd in de Databank Ondergrond Vlaanderen (DOV) op locaties nabij het perceel. De waterdruksensor werd geïnstalleerd op een diepte van 1,94 m, onder deze kleilaag. Als deze kleilaag als ondoordringbaar laag fungeert, kan de waterdruk onder deze laag oplopen. De sensor meet dan de druk in deze (semi-)gesloten watervoerende laag en niet de diepte van het freatisch grondwater. De waterfluxen van de binnen dit natte jaar worden weergegeven in het rechterpaneel van Figure 37 voor de simulatie (blauwe lijn), maar stemmen dus niet overeen met wat er in de realiteit heeft plaatsgevonden.

Voor dit perceel is het dus niet opportuun zonder verdere dataverzameling en modelkalibratie om de optimale drainagedrempel op basis van het model vast te leggen.

Perceel STE_W : complexiteit door bomen als teelt¶

Sinds 2021 wordt dit perceel gebruikt voor de boomkwekerij. Voor het simuleren van de groei van bomen, moeten we een aantal andere aannames maken dan voor eenjarige gewassen (maïs) of gras. De boomkwekerij heeft verschillende soorten. Wortelgroei wordt kunstmatig ingeperkt door de kweker om de boom zonder schade te kunnen transporteren bij verkoop. Het SWAP model is niet gebouwd voor het modeleren van bomen, maar er is wel 1 basis parameterset die werd opgesteld voor het modelleren van eik in een eerder project. Om het model eenvoudig te houden, werd 1 groeiseizoen van een boom bijna klaar voor verkoop beschouwd als de periode van 15 januari tot 30 december. In realiteit is een boom langere tijd aanwezig is op het perceel en is er een groei van kleine zaailing tot verkoopbaar product. Deze complexiteit hebben we hier niet meegenomen. We veronderstelden dat (i) de boom een ondiep wortelstelsel heeft omdat de boomkweker het wortelstelsel meestal tussen 30 en 50 cm houdt omwille van de nood om de boom te kunnen verplaatsen bij verkoop, (ii) de oogsthoogte 120 cm is en constant blijft gedurende de hele simulatieperiode. Dit zijn uiteraard sterke simplificaties van de realiteit. Indien men de boomgroei in meer detail wil simuleren is dit mogelijk, maar zijn veel meer calibratiegegevens onder verschillende weersomstandigheden nodig. Vermits die hier niet beschikbaar zijn, houden we het simpel.

Bij de simulatie van dit perceel houden we geen rekening met de waterstanden van de rivier Kleine Aa, omdat het perceel niet aan de rivier grenst. Figure 39 toont opnieuw neerslag, grondwaterstand in het veld, waterstand in de put en simulatie van grondwaterstand in het veld, samen met een samenvatting van de cumulatieve fluxen. De balg werd begin augustus ingesteld op ongeveer 100 cm en vervolgens tot half november verlaagd tot 120 cm, waarna hij weer werd verhoogd tot 100 cm. Ondanks de simplistische voorstelling van de boomgroei en transpiratie, komen de gesimuleerde grondwaterstanden (blauw) overeen met de veldmetingen (rood). De gewasgroei, hier weergegeven door transpiratie als proxy voor biomassaproductie, bedraagt ongeveer 17 cm. De gesimuleerde transpiratie ligt erg laag,vermoedelijk doordat de berekening niet op basis van LAI gebeurde, maar op basis van een contante boomhoogte. Transpiratiereductie was bij deze bomen vooral te wijten aan droogtestress in de simulatie en is het grootst als het grondwaterpeil op 80cm diepte beheerd wordt. Voor de boomkweek waarbij de wortelsysteem relatief ondiep worden gehouden is er dus weinig risico op zuurstofstress volgens het model en kan dus een grondwaterstand van -60 en zelfs -40 cm overwogen worden. De bodemverdamping bedroeg 21 cm in de simulatie. Het lijkt ons niet correct dat de bodemverdamping hoger ligt dan de transpiratie.

Dit duidt op de noodzaak om de boommodule eerst verder uit te spitten, vooraleer deze te gebruiken voor decision-support tools zoals voor het KAD systeem.

Conclusie¶

Het SWAP model maakt het mogelijk om de dynamische interactie tussen grondwater/drainage - bodem - gewas -atmosfeer voor een bepaalde locatie voor te stellen. Voor nauwkeurige resultaten zijn gegevens nodig over de bodem-hydraulische eigenschappen en de horizonten, gewasparameters voor de verschillende teelten en variëteiten, grondwaterdynamiek en weersomstandigheden. Indien een perceel dicht bij een waterloop grenst, is ook informatie/een tijdsreeks van waterdiepte in de waterloop noodzakelijk. Indien deze gegevens voorhanden zijn, kan het SWAP model goed gekalibreerd worden en gebruikt worden om gemiddelde streefwaarden voor grondwaterstanden te optimaliseren voor een bepaalde combinatie van teelt/perceel of zelfs om met weersvoorspellingen een real-time optimaal beheer voor te stellen. Dat is ook in detail beschreven in de Nederlandse context door Bartholomeus et al. (2015).

Het optimale grondwaterpeil voor het maximaliseren van de verdamping van gewassen staat niet vast, maar verandert met de milieu-, bodem- en gewasomstandigheden. In drogere jaren kan het gunstig zijn om het grondwater hoger te houden. Dit kan helpen om de wateropname van het gewas op te laten stijgen en de groei van het gewas op peil te houden. Aan de andere kant moet in natte omstandigheden het grondwaterpeil worden verlaagd om zuurstoftekort in de wortelzone te voorkomen. De effectiviteit van de eerder gepresenteerde suggesties hangt echter ook af van hoe verschillende gewassen reageren op watertekorten of hoge grondwaterstanden.

Het is echter vaak zo dat de beschikbare data maar beperkt zijn voor zowel grondwater/bodemeigenschappen als voor gewasparameters. In dat geval komt het voor dat de simulatie onvoldoende dicht bij de realiteit zit. Dan zijn er twee opties: iteratief ervaring opdoen met de data en het beheer op basis van expertise van de landbouwer of toch meer data verzamelen om het model te verbeteren. Om KAD modelgestuurd te maken, is dus nog studiewerk nodig, vooral om de theorie naar de praktijk te vertalen en de kosten/nodige dataverzameling te verlagen. Modelgedreven KAD heeft veel potentieel, maar er moet nog gewerkt worden aan haalbare manieren om met een beperkt, maar goed gekozen dataset per perceel toch naar automatisering te kunnen gaan.

Aanbevelingen voor verdere ontwikkeling¶

• Grotere bibliotheek aan gewasparameters uitbouwen voor SWAP gekalibreerd en gevalideerd op basis van regionale data van gewasgroei, fenologie en oogst.
• Modelering van transpiratie van bomen beter uitbouwen in SWAP, inclusief groei van de boom over meerdere jaren.
• Indien verder met drempelwaardes gewerkt wordt, ipv real time modelaanbevelingen op basis van historisch weer een weervoorspellingen, kunnen deze opgedeeld worden in een aantal ‘periodes’ waarin de drempel constant blijft, maar waarbij die wel kan variëren tussen deze periodes met verschillende noden.