Ritsema, C.J.

Stolte, J.

Wösten, J.H.M.

Name not available

Oppervlakte-afvoer: een combinatie van helling, bodem, gewas en regen

Wageningen Yield 

Oppervla kte-afvoer: een combinatie 
van helling, bodem, gewas en regen 
Jannes Stolte 
Coen Ritsema 
Henk Wösten 
Introductie 
Belasting van het oppervlaktewater met bestrijdingsmiddelen en meststoffen is een veel- 
vuldig onderwerp van onderzoek. Er worden waterbalansen opgesteld en metingen gedaan 
om de belasting te kwantificeren (o.a. Thunnissen,l987). Ook worden modelstudies uitge- 
voerd om de belasting te voorspellen, waarbij in het algemeen meteorologische gegevens die 
gebaseerd zijn op dag- of decadegemiddelden worden gebruikt. Wanneer met deze gegevens 
gerekend wordt, zal er in het algemeen geen oppervlakte-afvoer berekend worden, omdat 
de intensiteit van de neerslag afgevlakt wordt over deze tijdsperiode. Meinardi e.a. (1998a, 
1998b), Meinardi en Schotten (1999) pogen door berekening van de grondwateraanvulling 
de oppervlakkige afstroming te voorspellen voor verschillende grondsoorten in Nederland. 
Dit geeft een ruwe indicatie wat er van de Nederlandse bodems op jaarbasis kan afspoelen, 
waarbij de oppervlakkige afstroming is gedefinieerd als stroming over het maaiveld, inter- 
flow, en als een combinatie van onverzadigde en verzadigde stroming bij het freatisch vlak. 
Deze mix van termen geeft een wat verwarrend beeld in genoemde publicaties, wat in een 
reactie van Querner (1999) ook aangegeven wordt. 
Oppervlakte-afvoer ontstaat tijdens een regengebeurtenis waarbij de bodem verzadigd is of 
waarbij de regenintensiteit de infiltratiecapaciteit van de bodem overschrijdt. Het probleem 
van oppervlakte-afvoer kan dan ook niet benaderd worden als een jaargemiddeld probleem 
maar moet als een buispecifiek probleem gezien worden. In Nederland treedt zowel in de 
winter als in voorjaar/zomer oppervlakte-afvoer op (Kwaad, 1991). In de winter gaat het . 
meestal om langdurige, niet-intensieve regenbuien, terwijl in het voorjaar/zomer opper- 
vlakte-afvoer kan ontstaan door korte, heftige (onweers-) buien. In relatie tot verontreini- 
ging van oppervlaktewater door oppervlakte-afvoer is met name de voorjaars/zomer periode 
van belang aangezien dan de landbouwkundige bewerkingen plaatsvinden (o.a. toediening 
pesticiden en nutriënten). 
Om een aanzet te geven de oppervlakte-afvoer te kwantificeren, presenteren wij in dit 
artikel landsdekkende berekeningen van de potentiële oppervlakte-afvoer en daarvan afge- 
leid een schatting van de actuele oppervlakte-afvoer. De potentiële oppervlakte-afvoer is 
hierbij gedefinieerd als neerslag min de infiltratie. Berekeningen zijn uitgevoerd voor drie 
Jannes Stolte, Coen Ritsema en Henk Wösten zijn werkzaam bij Alterra, Research Instituut voor de 
Groene Ruimte, Afdeling Bodem en Landgebruik, Postbus 47, 6700 AC Wageningen, telefoon: (0317) 47 42 86, 
fax: (0317) 41 90 00, e-mail: j.stolte@alterra.wag-urnl. 
STROMINGEN 6 (2000), NUMMER 4 
buien met verschillende herhalingstijd en voor verschillende vochttoestanden van de 
bodem. Het doel van deze berekeningen is om (i) inzicht te krijgen in de mate van poten- 
tiële oppervlakte-afvoer, (ii) de regionale verspreiding van potentiële oppervlakte-afvoer 
vast te stellen en (iii) een methode te introduceren die de actuele oppervlakte-afvoer bere- 
kent. 
Berekeningen potentiële oppervlakte-afvoer 
Potentiële oppervlakte-afvoer en infiltratie berekening vereisen het rekenen met kleine 
tijdstappen. Dit is b.v. mogelijk met het bodemwater-stromingsmodel SWAP. Wij hebben 
een drietal buikarakteristieken gebruikt om de potentiële oppervlakte-afvoer te berekenen, 
namelijk karakteristieke voorjaarsbuien met een herhalingstijd van 1, 2 en 25 jaar. De 
buikarakteristieken zijn weergeven in figuur 1. 
0 - 5  5-7 .5  7-12.5 12.5-15 15 -20  
Tijd (min) 
Figuur 1: Karakteristieken van de voorjaarsbuien. A heeft een frequentie van eens per jaar, B eens per 2 
jaar en C eens per 25 jaar. in totaal valt er in 20 minuten 9.7 mm bij bui A, 13.3 bij B er1 23,6 bij C (naar Buis- 
hands en Velds (1980) en Heidemij (1988)). 
Berekeningen zijn uitgevoerd voor 21 bodemfysische eenheden zoals die zijn gedefinieerd in 
de bodemfysische schematisatie van Nederland (Wösten e. a., 1988). Bij deze schematisatie 
zijn de bodemeenheden van de bodemkaart 1 : 250 000 (Steur e. a., 1985) gegeneraliseerd 
tot 21 eenheden op grond van verwantschap in bodemkundige en bodemfjrsische 
kenmerken. Aan de horizonten in de profielschetsen van de 21 eenheden zijn bodemfysische 
karakteristieken (waterretentie en doorlatendheid) uit de Staringreeks (Wösten e. a., 1994) 
toegekend. Het resultaat van de schematisatie is de bodemfysische-eenhedenkaart van 
Nederland (figuur 2) op een schaal van 1 : 1 000 000 met celgroottes van 5000 m bij 5000 m. 
Voor de verschillende profielen is het initieel bodemvochtgehalte gevarieerd door met 
initiële drukhoogten te rekenen van -50, -100, -200, -500 en -1000 cm. In de berekening is 
uitgegaan van 120 cm dikke profielen, met vrije uitstroming als onderrandvoorwaarde. 
STROMIPIGEN 6 (2000), NUMMER 4 
Figuur 2: Bodemfysischseenhedenkaart ven Nederland (naar Wosten, 1988) 
Voor de berekening van de potentiële oppervlakte-afvoer is van de totale neerslag de bere- 
kende infiltratie afgetrokken. De potentiële oppervlakte-afvoer kan op het land blijven 
staan als plassen en uiteindelijk weer infiltreren na de bui, of kan oppervlakkig afstromen 
naar sloten en greppels. Dat laatste proces is afhankelijk van o.a. de bodemruwheid en 
maaiveldmorfologie. Zo hebben wij in een studie naar afvoer in Limburg voor een zomer- 
periode een oppervlakte-afvoerheerslag percentage op buibasis van bijna 50% berekend 
(De Roo e. a., 19951, en in een studie in Groesbeek ongeveer 20% (Stolte e. a., 1999). Dit zijn 
resultaten op stroomgebiedsniveau, waarbij opgemerkt dient te worden dat effecten op per- 
ceelsniveau zelfs groter kunnen zijn. 
Resultaat potentiële oppervlakte-afkoerberekeningen 
Het resultaat van de berekeningen is te zien in figuur 3, waar kaarten gepresenteerd zijn 
van Nederland volgens de indeling van de bodemfysische eenhedenkaart in een 5000 x 5000 
m grid. 
Hgwr 3: Berekenln~w~ulfatm wn dle patenti@le oppsnnlakle-atwsr wmf ~deFYeimd. Getmnd mrdm &l 
n68191~gpebeurtaxilmn en 5 ~ ~ , ~ i l l ~ f f ~ e  inrflf3lia weh7@3hslte$ van de b@mm tnW r w n  wn 6ruk- 
haagte, Ba@ van de bwbntng b Ede: $o'dernTy$ische mhMen&m m Ml&a.ulond (Wesstm e. a., 7989, 
Het blijkt dat bij de laagfrequente bui (25 jaars-frequentie) bij een droog initieel profiel (- 
1000 cm drukhoogte) bij de klei- en veengronden meer dan 60% van de neerslag potentieel 
voor oppervlakte-afvoer beschikbaar is. Voor de zandgronden is dit tussen de 30 en 50%. 
Ook bij de hoogfrequente bui (l jaars-frequentie) blijft bij een droog profiel nog altijd water 
op het maaiveld achter ( 6 2 0 %  voor de zandgronden en 35-70% voor de klei- en veengron- 
den). 
Schatting actuele oppervlakte-afvoer 
Van de berekende laag die op het maaiveld achterblijft tijdens en na een bui zal een groot 
deel alsnog infiltreren. Hoeveel er daadwerkelijk als oppervlakte-afvoer in het oppervlak- 
tewater terecht zal komen is afhankelijk van de toestand van het gewas (o.a. gewasdicht- 
heid), de kenmerken van het bodemoppervlak (o.a. bodemruwheid) en van de hellingshoek 
van het perceel. Door Huinink (1986) is een empirische vergelijking opgesteld om de plas- 
vorming en de oppervlakte-afvoer van bolle percelen te berekenen (figuur 4). Die empiri- 
sche vergelijking is gebaseerd op meetgegevens van een proefveld met gras (Oosterom, 
1979). 
Wanneer we nu de maaiveldhelling kennen en de empirische vergelijking loslaten op 
onze berekende potentiële oppervlakte-afvoer, kunnen we een schatting maken van de 
actuele oppervlakte-afvoer over het bodemoppervlak. Een bron voor maaiveld hoogte is b.v. 
het Actueel Hoogtebestand Nederland, uitgegeven door Rijkswaterstaat. In figuur 5 is een 
afgeleide hoogtekaart van dit bestand te zien voor een deel van Schouwen-Duiveland van 
ongeveer 4 x 4 km, verdeeld in raster cellen van 100 x 100 m. Het maximale hoogteverschil 
in dit gebied is ongeveer 8 m, en de steilste helling is ongeveer 3,5 %. 
Wanneer we nu de empirische vergelijking van Huinink (1986) loslaten op dit gebied, en 
ervan uitgaan dat het bodem- en gewastype (gras) voor het gebied overal gelijk is, krijgen 
we een geschatte actuele oppervlakte-afvoer per hellingspercentage. Hiertoe zijn de hel- 
lingspercentages in klassen ingedeeld met bijbehorende gemiddelde berging (tabel 1). 
Max. Maaiveldberging (mm) 
25 
2 3.5 5 
Maaiveldhelling (%) 
Figuur 4: Verband tussen maximale maaiveldberging en maaiveldheiling. Naar Huinink (1986). 
STROMINGEN 6 (20001, NUMMER 4 
Figuur R Digitaal hoogtemockel van het voorbeeldgebied vaar schattin@ van de actuele oppervla!&- 
afvoer. Basisgegevens afkomtlg van het Actueel Hoogtebestand Nederland, u~tgegeven d m  Rijkwater- 
slaat. Figuur reprefenteert -h deel van S;ch~uw@n-Du!veland. 14 km4 groot en onderverdeeld rh 
giideelien van 100 x l UQ m, 
Tabel 1: Gemiddelde berging en totaal oppervlak per heliingsklo?sevtsor he? voorheeldg@bied. 
We;l1ingsklme (Y4 TWal oppervlak (ha) 
c 0,s 1154 
0,5 - 1 509 
1 - l &  118 
T.6-2 6 J 
2-g5  142 
2,s - 3 19 
> 3 1 l 
Voor onze berekeningen nemen we de berekeningsresultaten van de potentiële 
oppervlakte-afvoer voor een zavelgrond (fysische eenheid 151, en voegen hier het effect van 
hellingspercentage aan toe waarbij we ervan uitgaan dat de vergelijking van Huinink 
toepasbaar is. De berekende actuele oppervlakte-afvoer voor dit specifieke gebied en deze 
specifieke condities is in figuur 6 gevisualiseerd. 

berekening gebruikte neerslaghoeveelheid spoelt maximaal ongeveer 15 mm af bij de eens 
per 25 jaar bui en maximaal 2 mm bij de eens per jaar bui. 
Uit de gepresenteerde resultaten blijkt dat bij een helling van meer dan 1% tijdens veel 
buien in meer of mindere mate oppervlakte-afvoer plaatsvindt, waarbij de grondsoort een 
zavelgrond is en het gewas gras. Dit hellingspercentage zal in Nederland veel voorkomen, 
met name wanneer gekeken wordt naar de morfologie van individuele percelen. Een andere 
grondsoort kan meer of minder afstroming veroorzaken, afhankelijk van de potentiële 
oppervlakte-afvoer (zie figuur 31, echter het ruimtelijk patroon zal met name door de mor- 
fologie van het gebied worden bepaald. De mate van berging aan het oppervlak is afhanke- 
lijk van het gewas, waarbij gras zeer waarschijnlijk een van de best bergende gewassen is 
en meer open gewassen zoals maïs dit in veel mindere mate kunnen. Dit komt door de gro- 
tere bodemruwheid en door de weertand van gewas die ervoor zorgt dat het water langza- 
mer afstroomt, waardoor er meer kan infiltreren. Om deze methodologie op grotere, meer 
diverse gebieden te kunnen toepassen moeten er in ieder geval dergelijke berging-hellings- 
hoek relaties zoals beschreven voor gras ontwikkeld worden voor de meest voorkomende 
landbouwkundige gewastypen van Nederland. 
Conclusie en discussie 
De resultaten laten zien dat potentiële oppervlakte-afvoer optreedt bij bijna alle grond- 
soorten in het geval van intensieve buien met een herhalingstijd van 25 jaar. Ook bij buien 
met een herhalingstijd van twee en één jaar is de potentiële oppervlakte-afvoer nog steeds 
aanwezig in grote delen van Nederland. De gevoeligste grondsoorten zijn de klei- en veen- 
gronden. Dat is te verklaren doordat de infiltratie in klei en veen normaal gesproken rela- 
tief laag is. 
In de Staringreeks wordt geen rekening gehouden met effecten van zwel en krimp en 
van macroporiën. Hierdoor kan de werkelijke oppervlakte-afvoer voor de klei- en 
veengronden lager uitvallen. Wat betreft de resultaten voor de zandgronden kan de grootte 
van de werkelijke oppervlakte-afvoer toenemen doordat gronden vanaf een bepaald 
vochtgehalte waterafstotend kunnen worden (Dekker and Ritsema, 1996). Daarnaast kan 
de infiltratie spectaculair afnemen doordat gronden verslempen of korstvorming vertonen 
(Kwaad, 1991; Stolte e. a., 1997). De hier gepresenteerde resultaten zijn dan ook alleen 
indicatief. Effecten van veranderingen in de structuur van bovengronden, zoals b.v. 
veroorzaakt door ploegen, zullen impliciet meegenomen moeten worden om een meer 
accurate voorspelling van oppervlakte-afvoer te kunnen doen. 
Het is duidelijk dat de oppervlakte-afvoer een niet te onderschatten belasting van het 
oppervlaktewater kan zijn. Hoe groot de actuele afstroming is, hangt af van de hellingshoek 
van het maaiveld, het gewas en de kenmerken van het bodemoppervlak. De gepresenteerde 
resultaten zijn de eerste waarin gebruik is gemaakt van de geschematiseerde bodemfysi- 
sche eenhedenkaart in combinatie met het SWAP model om de potentiële oppervlakte- 
afvoer voor de Nederlandse gronden te kwantificeren voor bepaalde regenbuigebeurtenis- 
sen. De methode die gebruikt is om een schatting van de actuele oppervlakte-afvoer te 
maken maakt gebruik van de maaiveldhelling en een empirische relatie om de maaiveld- 
berging te bepalen. Een meer geavanceerde methode kan b.v. toepassing van het LISEM . 
model (De Roo e.a., 1996) zijn waarbij o.a. oppervlakte-afvoer berekend wordt als functie 
van helling, bodemfysische eigenschappen, bodemruwheid en weerstand. De helling-ber- 
ging verhouding is met het model uit te rekenen, waardoor goede schattingen van de actu- 
ele oppervlakte-afvoer op buibasis gegeven kunnen worden. Maatregelen om oppervlakte- 
afvoer te beperken kunnen met het LISEM model getoetst worden, zoals o.a. is uitgevoerd 
in Limburg (De Roo e. a., 1995) en Groesbeek (Stolte e. a., 1999). 
Literatuur 
Buishands, T.A. en C.A. Velds (1980) Neerslag en verdamping; K.N.M.I., De Bilt. 
Dekker, L.W. e n  C.J. Ritsema (1996) Uneven moisture patterns in water repellent soils; 
in: Geoderma 70,87-90. 
Heidemij (1980) Regenduurlijnen. Voor het ontwerp en beheer van waterbeheersings- en 
rioleringsprojecten; Heidemij Adviesbureau. 
Huinink, J.T.M. (1986) Grasland: rond of vlak?; in: De Buffer, jrg. 32, nr 1, pag 1-14. 
Kwaad , F.J.P.M. (1991) Summer and winter regimes of runoff generation and soil ero- 
sion on cultivated loess soils (The Netherlands); in: Earth Surf. Proc. Landf. 4,  281-295. 
Meinardi C.R., C.G.J. Schotten e n  J.J. de  Vries (1998a) Grondwateraanvulling en 
oppervlakkige afstroming in Nederland: Langjaarlijkse gemiddelden voor de zand- en 
leemgebieden; in: Stromingen, jrg 4, nr 3, pag 2741 .  
Meinardi C.R., e n  C.G.J. Schotten. (1999) Grondwateraanvulling en oppervlakkige 
afstroming in Nederland: Deel 3: De afwatering van veengebieden; in: Stromingen, jrg 5, 
nr 1, pag 5-18. 
Meinardi C.R., G.A.P.H. van den Eertwegh en C.G.J. Schotten (1998b) Grondwater- 
aanvulling en oppervlakkige afstroming in Nederland: Deel 2: De ontwatering van de 
kleigronden; in: Stromingen, jrg 4, nr 4, pag 5-19. 
Oosterom, H.P. (1979) Opzet en uitvoering van een vooronderzoek naar oppervlakkige 
afstroming op lage zandgrond; ICW-nota 1149, Wageningen. 
Querner, E.P. (1999) Reactie op verhalen van Meinardi e.a.: Grondwateraanvulling en 
oppervlakkige afstroming in Nederland, deel 1-3; in: Stromingen jrg 5, nr 3, pag 78-80. 
Roo, A.P.J. de, P.J. Wesseling en C.J. Ritsema (1996) LISEM: a single event physically 
based hydrological and soil erosion model for drainage basins. I. Theory, input and out- 
put; in: Hydrological Processes 10, 1107-1117. 
Roo, A.P.J. de, P.M. van Dijk, C.J. Ritsema, N.H.D.T. Cremers, J .  Stolte, K. Oostin- 
die, R.J.E. Offermans, F.J.P.M. Kwaad e n  M.A. Verzandvoort (1995) Erosienorme- 
ringsonderzoek Zuid-Limburg: Veld- en simulatiestudie; DLO-Staring Centrum rapport 
364.1, Wageningen. 
Steur, G.G.L., F. d e  Vries e n  C. van Wallenburg (1985) Bodemkaart van Nederland 
1 : 250.000; Stichting voor Bodemkartering, Wageningen. 
Stolte, J,  C.J. Ritsema e n  A.P.J. d e  Roo (1997) Effects of crust and cracks on simulated 
catchment discharge and soil loss; in: Journal of Hydrology 196, 279-290. 
Stolte, J., C.J. Ritsema en T. Li (1999) Invloed van verschillende landinrichtingsscena- 
rio's op de bodem- en waterafvoer in het zuidelijke deel van de ruilverkaveling Groes- 
beek; DLO-Staring Centrum rapport 644, Wageningen. 
Thunnissen, H.A.M. (1987) Oppervlakte-afvoer; hoeveelheid en samenstelling; Rap- 
portnr. 728472003, Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieuhygiëne, Bilthoven. 
STROMINGEN 6!2000), NUMMER 4 
Wösten, J.H.M., F. de Vries, J. Denneboom en A.F. van Holst (1988) Generalisatie en 
bodemfysische vertaling van de bodemkaart van Nederland, 1 : 250.000, ten behoeve van 
de PAWN-studie; Rapport nr. 2055, Stichting voor Bodemkartering, Wageningen. 
Wösten, J.H.M., G.J. Veerman en J. Stolte (1994) Waterretentie- en doorlatendheids- 
karakteristieken van boven- en ondergronden in Nederland: de Staringeeks; Technisch 
Document 18, DL0  Staring Centrum, Wageningen. 


Oppervlakte-afvoer: een combinatie van helling, bodem, gewas en regen

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Name not available

Wageningen Yield

NARCIS