Integrale systeemanalyse laat zien dat in een Apeldoornse wijk de lange verblijftijden een zeer bepalende factor zijn voor de ecologische waterkwaliteit. De gecombineerde aanpak – langjarige analyse en event-analyse - biedt een goede basis voor verbetermaatregelen voor de waterkwaliteit.
Download hier de pdf van dit artikel.
Geschreven door Bernie ter Steege (gemeente Apeldoorn), Lotta Holsteijn (Waterschap Vallei en Veluwe), Bob Brederveld (Witteveen+Bos), Ria Löschner (Nelen & Schuurmans)
Oppervlaktewater kleurt van nature vaak bruin in kwelrijke gebieden aan de ‘voet’ van de Veluwe. De bruine kleur wordt veroorzaakt door het ijzerrijke grondwater, dat bij contact met zuurstof een roestbruine verkleuring geeft. Ook in de Apeldoornse wijk De Maten kleuren de vele vijverpartijen om deze reden bruin. De troebelheid van het water leidt tot slechtere groeiomstandigheden voor ondergedoken waterplanten, en een kwetsbare ecologische waterkwaliteit. Daarnaast bevinden zich in De Maten zeventien gemengde overstorten, die gemiddeld tweejaarlijks rioolwater lozen op het oppervlaktewater. Dit leidt tijdelijk tot hoge nutriëntengehalten en lage zuurstofconcentraties. Gemeente en waterschap zijn op zoek naar handvatten om het watersysteem anders in te richten om de waterkwaliteit te verbeteren. Hierbij willen zij rekening houden met een veranderend klimaat met hevigere buien, langdurige droogte en extreme hitte.
Verfijnen van afstroomgebieden
Om de waterkwaliteit in het oppervlaktewater te analyseren, worden vaak ‘bakjesmodellen’ (lumped models) gebruikt, gebaseerd op meetreeksen van meerdere jaren. Per peilgebied (‘bakje’) wordt dan bijvoorbeeld een gemiddelde verblijftijd berekend, terwijl deze in werkelijkheid kan verschillen per watergang. Voor De Maten is deze traditionele aanpak verfijnd door de verspreiding van stoffen door het watersysteem gedetailleerd in beeld te brengen. Witteveen + Bos en Nelen & Schuurmans hebben hierbij hun specialismen gecombineerd. Een verdere opdeling van het hoofdbemalingsgebied in afstroomgebieden met het model Rana was hierin een belangrijk onderdeel.
Rana is een integraal hydrodynamisch model van maaiveld, riolering en oppervlaktewater. Voor De Maten is dit model voor een groot deel opgebouwd uit open data, zoals het Actueel Hoogtebestand Nederland (Versie AHN6, 2025) [1] en de Basisregistratie Grootschalige Topografie [2], in combinatie met watersysteemdata van Waterschap Vallei en Veluwe en rioleringsdata van de gemeente Apeldoorn. Met het resulterende hydrodynamische model zijn stroomlijnen en afstroomgebieden berekend (afbeelding 1). Met een continue lichte neerslagintensiteit (ca. 2 mm/dag) is een evenwichtssituatie gecreëerd van afstroming richting de waterlopen. Op basis hiervan is de wijk De Maten ingedeeld in acht afstroomgebieden, begrensd door stuwen of gemalen. Deze indeling is weergegeven in afbeelding 2. Het water in De Maten wordt via verschillende peilgebieden afgevoerd via twee oppervlaktewatergemalen in deelgebied acht.
Voor berekening van de stoffenverspreiding in ruimte en tijd is een maatgevende bui (Standaardbui08: 19,8 mm in een uur) gebruikt. Hierin is zowel de afvoer via gemengde overstorten en regenwateruitlaten als afstroming over maaiveld is meegenomen.
Inzicht in verblijftijden
De acht afstroomgebieden vormden de basis voor een meerjaren-analyse van de water- en stoffenbalans (periode 2000-2023). Per afstroomgebied zijn verblijftijden berekend: het gaat om de verversingstijd van het watersysteem. De meerjaren-analyse laat zien dat de gemiddelde verblijftijden van het oppervlaktewater in deelgebieden van De Maten lang zijn: tussen de 50 en 250 dagen (afbeelding 3).
Dit maakt het watersysteem van De Maten overwegend procesgestuurd, en niet transportgestuurd. Bij een procesgestuurd systeem zijn de verblijftijden dermate langg dat biologische processen (afbraak van organisch materiaal, algenbloei) de waterkwaliteit in sterke mate bepalen, terwijl bij een transportgestuurd systeem alleen de kwaliteit van het inlaatwater bepalend is.
Inzicht in fosforbronnen
Fosfor is vaak de beperkende factor bij biologische processen en daarmee bepalend voor de waterkwaliteit. Verlaging van de fosforbelasting is dan ook een adequate methode om de ecologische waterkwaliteit te verbeteren. De meerjaren-analyse is daarom specifiek uitgevoerd voor de fosforbelasting. De resulterende stoffenbalans, gebaseerd op landelijk gehanteerde aannames voor fosforconcentraties (afbeelding 4, links) laat zien dat de meeste fosforbelasting plaatsvindt via afstroming van maaiveld, uitspoeling en riooloverstorten. Het benedenstrooms gelegen afstroomgebied 8 wordt logischerwijs het meest belast met fosfor: hier komt al het water samen.
De fosforbelasting per afstroomgebied in De Maten ligt nog ver onder de kritische grens voor dit type waterlopen (afbeelding 4, rechts). Bij een dergelijk lage fosforbelasting zouden we in alle afstroomgebieden van De Maten helder water verwachten met ondergedoken waterplanten. Dit is in de praktijk niet het geval, door de eerder benoemde structurele troebelheid door ijzeroxidatie vanuit kwel. Het is ook mogelijk dat zich op de waterbodem ijzer- en nutriëntenrijk slib heeft gevormd door een combinatie van ijzerrijke kwel, hoge overstortfracties en lokaal zeer lange verblijftijden. Om de overstortfracties en verblijftijden ruimtelijk te onderzoeken is de samenstelling van het water in De Maten geanalyseerd met het model Rana.
Vernieuwing van het water
In Rana is het mogelijk elke bron van water te labelen en de verspreiding ervan te volgen in ruimte en tijd. Bij een ontwerpbui is berekend in welke mate het al aanwezige water per watergang werd ‘vervangen’ met verschillende bronnen: afstromend regenwater, overstortwater en kwel. Hierbij is gekeken tot aan het moment dat de oppervlaktewatergemalen Barnewinkel en Biezematen weer uitgaan wanneer het streefpeil is bereikt en de afvoer dus stopt. Het ruimtelijke beeld van deze ‘vernieuwing’ van water uit verschillende bronnen is weergegeven in afbeelding 5.
De afstroomgebieden met veel overstorten en regenwateruitlaten worden direct na de bui het meest vernieuwd: de afstroomgebieden 1, 2 en 4. De kwaliteit van dit nieuwe water is echter bepalend voor de chemische en biologische processen die vervolgens optreden, want de verblijftijden zijn relatief lang.
Samenstelling van het water
De samenstelling van het water kunnen we inschatten aan de hand van de herkomst. Afbeelding 6 laat de fracties overstortwater per watergang zien na afloop van Bui08. Dit biedt inzicht in de kwaliteit van het instromende water. We zien dat afstroomgebieden 1 en 2 na afslaan van de oppervlaktewatergemalen nog steeds grote fracties overstortwater bevatten. Het water wordt vernieuwd met water van relatief lage kwaliteit en blijft daar aanwezig tot de volgende bui. Tijdens een droge zomer kan dit weken tot zelfs maanden duren. In afstroomgebied 4 bevinden zich vooral regenwateruitlaten, want het afstromende gebied is gescheiden gerioleerd. De kwaliteit van dit water is waarschijnlijk beter na afloop van de bui. Bij een aansluitend droge periode zal de ecologische waterkwaliteit hier mogelijk minder snel verslechteren.
Verspreiding van stoffen in ruimte en tijd
Een andere vraag is hoeveel overstortwater na een Bui08 daadwerkelijk wordt afgevoerd door de gemalen. De overstortfracties richting de gemalen Barnewinkel en Biezematen zijn geanalyseerd. Afbeelding 7 laat zien hoe de overstortpiek van de dichtstbijzijnde overstort (800 m3 overstortvolume) zich verplaatst richting het westelijke gemaal Barnewinkel. Ongeveer 30 uur na de bui slaat gemaal Barnewinkel weer af.
Uit de berekening volgt dat er in de nabijgelegen watergang (locatie G, lokale berekende waarde) dan nog 30% gemengd overstortwater aanwezig is en dat de andere locaties alweer sterk in concentratie zijn gedaald. De afvoerpieken vanuit bovenstroomse overstorten lijkt hier echter nog niet langs te komen. Dit duidt erop dat nog lang niet al het overstortwater is verpompt. Uit analyse van de totale berekende volumes blijkt inderdaad dat beide gemalen slechts 650 m3 overstortwater van de in totaal 9000 m3 overstortvolume van alle overstorten in De Maten bij Bui08 overpompen. Dit betekent dat er 8350 m3 gemengd overstortwater achterblijft in het systeem (ca. 9% van het totale volume aan oppervlaktewater). Deze bevinding komt overeen met het beeld uit afbeelding 5; na afloop van de bui zijn er verschillende watergangen waar nog hoge fracties overstortwater aanwezig zijn.
Afbeelding 8 laat daarnaast alle berekende fracties in de tijd zien ter hoogte van gemaal Barnewinkel (locatie G uit afbeelding 7). We zien de oorspronkelijke samenstelling van het water, voordat de bui viel. Vervolgens zien we de overstortpluim na ongeveer 15 uur aankomen bij het gemaal, tot een maximale fractie van ongeveer 30 procent. Het overige water bestaat voornamelijk uit afstromend water vanaf onverhard oppervlak. Kwel is echter een belangrijke factor: ongeveer 10 procent van het water bestaat aan het einde van de bui uit kwel, als we de kwel meetellen die aan het begin optrad.
Risico’s op lokale slibvorming
Pas bij een volgende bui slaan de gemalen weer aan en worden fracties overstortwater, af- en uitgespoeld water en kwel afgevoerd. Vanwege de lange verblijftijden in het systeem bestaat hierdoor het risico dat vuil, nutriënten en ijzer zich verzamelen in een sliblaag op de waterbodem. Het risico op accumulatie van vuil uit overstorten zien we vooral in afstroomgebieden 1 en 2, waar de berekende fracties overstortwater na afloop van Bui08 nog zeer hoog zijn (afbeelding 5). Het risico op ophoping van ijzer zien we vooral in waterlopen waar de verversingsgraad bij een individuele bui relatief laag is, zoals in afstroomgebieden 5, 6, 7 en 8, met name achter stuwen en duikers (afbeelding 4). Uitspoeling vanaf onverhard terrein zijn een meer diffuse nutriëntenbron, die een gelijk verdeelde belasting geeft op het systeem, en geen locatiespecifieke risico’s op accumulatie.
Conclusies en handelingsperspectieven
Uit onze meerjaren-analyse van de fosforbelasting volgt dat de belasting uit overstorten niet bepalend lijkt voor de systeembrede ecologische waterkwaliteit in De Maten. Maar uit de ruimtelijke analyse volgt dat specifieke locaties wél kwetsbaar kunnen zijn voor het ontwikkelen van een slechte waterkwaliteit. Het gaat om overstortlocaties met grote overstortvolumes in de uitlopers van het watersysteem, veelal gevolgd door een stuw of duiker. De analyse liet zien dat het overstortwater in deze bovenstroomse delen blijft ‘hangen’ nadat de gemalen weer zijn afgeslagen, mede doordat extra doorstroming via regenwateruitlaten ontbreekt. Mogelijk bouwt zich hierdoor lokaal een nutriëntenrijke sliblaag op, die structureel blijft naleveren aan het watersysteem.
Ook ijzerrijke kwel lijkt een bepalende factor. Het oxideren van het ijzer leidt tot structurele troebelheid van het water. Dit zijn slechte omstandigheden voor ondergedoken waterplanten. Het is mogelijk dat ijzer zich lokaal kan gaan ophopen in de slibbodem, omdat onze analyse laat zien dat de vernieuwingsgraad in sommige delen van de waterlopen laag is. Deze conclusie ondersteunt het veldonderzoek, beschreven in het in mei 2024 verschenen H2O-vakartikel ‘Bruinkleuring van Apeldoornse vijvers: kommer en kwel?’ [1]. De auteurs gaven hierin aan dat de bruinkleuring in onder andere De Maten veroorzaakt wordt door ijzerrijke kwel en biochemische processen. Peilopzet (en het daarmee terugbrengen van de kweldruk) bleek weinig effect te hebben op de bruinkleuring, waarschijnlijk omdat de ijzerrijke sliblaag bleef naleveren naar het oppervlaktewater. Hierbij werd benoemd dat dit slib ook van elders werd aangevoerd, voornamelijk onder invloed van overstortwater.
Onze analyse biedt enkele heldere handelingsperspectieven om nader te onderzoeken:
- sterk verkleinen van het areaal open water, waardoor de verblijftijden in het systeem verkort worden. De nutriëntenbelasting op open water neemt dan wel toe, maar verblijftijden nemen af waardoor toch een ecologisch gezond systeem kan ontstaan;
- veldonderzoek naar locaties waar zich meer ijzer- en nutriëntenrijk slib vormt, dat de waterkwaliteit negatief beïnvloedt. Te denken valt aan het lokaal regelmatig verwijderen van dit slib.
- onderzoek naar andere plaatsing van de overstorten (niet in doodlopende delen), zodat overstortwater meer verdund wordt in het systeem;
- lokaal terugdringen van overstortvolumes en -frequenties, bijvoorbeeld in doodlopende watergangen. Dit vermindert vorming van nutriëntenrijk slib, dat onder andere leidt tot zuurstofarme omstandigheden in waterbodem en waterlaag.
- ombouwen van gemengde stelsels naar regenwaterstelsels, zodat het regenwater de doorstroming verbetert en de verblijftijden verkleint. Hier geldt de kanttekening dat de kwaliteit van het regenwater voldoende moet zijn en dat anders infiltratie wenselijk is.
Ruimtelijke waterkwaliteitsanalyse betaalt zich terug
Met dit gezamenlijk onderzoek hebben we laten zien dat een ruimtelijke waterkwaliteitsanalyse niet complex hoeft te zijn en het inzicht in het functioneren van het watersysteem sterk vergroot. De kracht bestaat uit het gebruik van open data, het bundelen van expertises en het gebruik van handige tools. Door de verspreiding van stoffen in ruimte en tijd te volgen, kunnen gericht de juiste lokale maatregelen genomen worden. Een ruimtelijke waterkwaliteitsanalyse betaalt zich hiermee terug, en is hard nodig in het licht van een veranderend klimaat.
| Samenvatting Integrale systeemanalyse laat zien dat in een Apeldoornse wijk de lange verblijftijden een zeer bepalende factor zijn voor de ecologische waterkwaliteit. De gecombineerde aanpak – langjarige analyse en event -analyse - biedt een goede basis voor verbetermaatregelen voor de waterkwaliteit in De Maten. Witteveen + Bos en Nelen & Schuurmans hebben met een gezamenlijke aanpak laten zien dat ook met beperkte basisinformatie een integrale systeemanalyse goed mogelijk is. Vernieuwend is de combinatie van langjarige tijdreeksanalyse van water- en stofstromen en event-analyse met het model Rana HCC. |
REFERENTIES
1. Actueel Hoogtebestand Nederland (2025). AHN6. https://www.ahn.nl/eerste-deel-ahn-6-beschikbaar, geraadpleegd op 3 september 2026.
2. Het Kadaster (2017). Basisregistratie Grootschalige Topografie. https://www.kadaster.nl/zakelijk/registraties/basisregistraties/bgt, geraadpleegd op 3 september 2026.
3. Verstijnen, Y., Van Mullekom, M., Smolders, F., Anema, D., Swenne, A. (2024). ‘Bruinlkleuring van Apeldoornse vijvers: kommer en kwel?’ H2O-Online, 15 mei 2024. https://www.h2owaternetwerk.nl/vakartikelen/bruinkleuring-van-apeldoornse-vijvers-kommer-en-kwel
