In deze aflevering van Studio Veenweide – De verdieping geeft onderzoeker Jim Boonman (VU) college over modelleren. Waarom is het belangrijk om modellen te maken, wat is er nodig voor een goed model, en hoe verhouden verschillende modellen zich tot elkaar?

Daarover hoor je meer in deze aflevering.

www.nobveenweiden.nl
www.stowa.nl
www.veenweiden.nl
www.vu.nl

TRANSCRIPTIE

Ivo de Wijs: Dit is Studio Veenweide: de Verdieping. Een serie colleges over de reductie van broeikasgassen in het Veenweidegebied. In het klimaatakkoord hebben we afgesproken dat de Veenweiden gaan zorgen voor het verminderen van een jaarlijkse emissie van 1 megaton in 2030. Hoe gaan we dat doen? Wat weten we al en wat weten nog niet? Het Nationaal Onderzoeksprogramma Broeikasgassen Veenweiden zoekt het uit. In zes afleveringen volgen we de 6 M-Cyclus van meten, mechanisme, modelleren, MKBA, maatregelen en monitoren. De gastspreker in deze aflevering is-

00:00:40

Inge Diepman: Jim Boonman, PhD bij de Vrije Universiteit van Amsterdam, doet onderzoek naar het verband tussen hydrologie, redoxcondities en de afbraak van organisch materiaal in de Nederlandse veenweidebodems. Een hele mond vol! Hartelijk welkom.

00:00:50

Jim Boonman: Dank je wel.

00:00:53

Inge Diepman: Een mond vol maar volgens mij ook ongelofelijk leuk, of niet?

00:00:55

Jim Boonman: Ja zeker, ontzettend leuk om bij dit project betrokken te zijn, het NOBV project, waar heel veel universiteiten en verschillende bedrijven bij betrokken zijn. Dat is ontzettend leuk.

00:01:03

Inge Diepman: Jij gaat college geven over modelleren. Ik heb een reportage gemaakt met Ko van Huissteden te beluisteren in Studio Veenweide en wat mij bijbleef was dat Ko tegen mij zei: "modelleren, modellen maken, is een proces dat nooit, maar dan ook nooit, af is".

00:01:18

Jim Boonman: Dat klopt.

00:01:22

Inge Diepman: Maar jij bent nog jong.

00:01:23

Jim Boonman: Inderdaad, en ik ben nu al bijna anderhalf jaar bezig om een model te maken om veenafbraken in te schatten in de Nederlandse veenweide en ik kom er ook achter dat er altijd een "maar" is. Er kan altijd meer en het kan altijd beter. En het is nu de kunst ook om een punt te vinden waarop ik stop en waarop ik mijn werk publiceer en mijn model accepteer zoals het is.

00:01:43

Inge Diepman: En wanneer vermoed je dat dat is?

00:01:45

Jim Boonman: Ik heb vier jaar voor mijn PhD en daarin moet ik vier onderzoeken afronden. Dat betekent dat je één publicatie per jaar moet doen. Dus eigenlijk heb ik mezelf één jaar de tijd gegeven en daar ben ik nu al ruim overheen. Dus ik wil graag opschieten.

00:01:58

Inge Diepman: Ja, maar het is wel ongelooflijk wat je allemaal al weet, weet ik uit betrouwbare bron, dus ik ben ontzettend blij dat je hier zit en ons college wil geven over--

00:02:07

Ivo de Wijs: De M van modelleren.

00:02:11

Jim Boonman: Laten we maar even bij het begin beginnen. Misschien heeft Ko dat ook al verteld, maar wat is een model nu eigenlijk? Een model is een versimpeling van de werkelijkheid die we vatten in een computer stimulatie. Je maakt een model zodat je metingen kunt vertalen naar grotere gebieden, andere tijdstippen of zodat je meer inzicht kunt krijgen in bepaalde processen of bepaalde dynamiek. Veenafbraak bijvoorbeeld, kun je moeilijk direct meten en als je dat doet, dan meet je maar op een paar plekken of op een paar momenten. Maar elke polder is anders. En we willen toch voor elke polder weten welke maatregelen we toe kunnen passen om veenafbraak tegen te werken of om veenafbraak te reduceren. Dus we moeten een manier vinden om onze metingen te vertalen en te extrapoleren. Daar bieden computermodellen dus een hele goeie uitkomst.

00:02:56

Jim Boonman: Natuurlijk moet je wel heel voorzichtig zijn, want een model berust altijd op aannames, echt veel aannames, en als je een model ziet als een absolute waarheid, dan zouden hele belangrijke beslissingen wel eens helemaal verkeerd uit kunnen vallen. Er is ook altijd een risico dat je heel veel tijd investeert in een model, maar dat je toch geen zeker antwoord vindt op je vragen. Dus het kan best wel tricky zijn om te werken met een model, dat heb ik ook ervaren de afgelopen tijd. Als je veenafbraak wil modelleren dan is een belangrijke eerste stap om de hydrologie te simuleren en dat doe je natuurlijk met een hydrologisch model. Er zijn aardig wat soorten modellen beschikbaar. Je kiest een hydrologisch model aan de hand van de ruimtelijke schaal en tijdschaal die je wil en natuurlijk ook aan de hand van de rekencapaciteit die je hebt, want je kunt niet oneindig veel rekenen in een korte tijd. Je wil op een gegeven moment ook naar je resultaten kunnen kijken.

00:03:45

Jim Boonman: Ik bespreek eerst kort hoe de hydrologie gesimuleerd kan worden in drie modellen die worden gebruikt in onze onderzoeksgroep. Dat zijn de modellen PEATLAND-VU, SWAP en HYDRUS en daarna bespreek ik hoe de veenafbraak met behulp van deze simulatie kan worden uitgerekend. Ik licht ook nog een tipje van de sluier op over de onderzoeksresultaten van mijn modelstudie, daarover dus ook later meer. In het PEATLAND-VU wordt de hydrologie het meest versimpeld, eigenlijk wordt een stukje in het perceel gemodelleerd en dat stukje moet je je voorstellen als één bakje met water. Het waterniveau in het bakje verandert door neerslag en verdamping en wordt beinvloed door het slootwaterpeil verderop. De bodemeigenschappen in het bakje bepalen op welke manier dat water verticaal verdeeld wordt. Omdat er maar één dimensie gesimuleerd wordt in één bakje, kan het model heel snel rekenen.

00:04:36

Jim Boonman: Het SWAP model van Alterra is ontwikkeld voor simulatie op perceelsniveau en voor meerdere jaren. Omdat deze tijds- en ruimtelijke schaal meer rekenkracht vragen, worden er ook bij dit model 1D bakjes gebruikt. De bakjes zijn wel iets complexer dan bij PEATLAND, omdat de Richards' Equation wordt gebruikt in de onverzadigde zone, en als je van boven kijkt, dan is het modeldomein onderverdeeld in bakjes die met elkaar in verbinding staan. Door de versimpeling van de ruimte met de bakjes kunnen we toch grotere gebieden simuleren op een betrouwbare manier.

00:05:08

Jim Boonman: In het HYDRUS model waar ik mee werk, wordt er niet met bakjes gerekend, maar met nodes, dat zijn eigenlijk een soort knooppunten. Je kunt het zien alsof we op duizenden plekken in de bodem weten wat de omstandigheden zijn, en op basis van natuurkundige wetten stroomt het water tussen deze nodes, dus tussen de knooppunten. De nodes maken het mogelijk dat we niet alleen verticale, maar ook horizontale stroming kunnen simuleren. Het is dus tweedimensionaal met een aanzienlijk hogere resolutie dan in een bakjes model. Het voordeel hiervan is dat de onverzadigde zone veel preciezer gesimuleerd kan worden. Een nadeel is dat je voor een klein oppervlak al redelijk veel rekencapaciteit nodig hebt, en daarom heb ik gekozen om alleen maar een dwarsdoorsnede van een veenweide perceel te modelleren en uit te rekenen.

00:05:54

Jim Boonman: Het SWAP model is perfect om veenafbraak te voorspellen aan de hand van grondwaterstanden met de bekende relatie tussen gemiddelde laagste grondwaterstand en bodemdaling en de grondwaterstanden kunnen heel goed gemodelleerd worden met SWAP. Het SWAP ANIMO model en PEATLAND model gebruiken beide bodemvocht temperatuur, zuurstofindringing en andere bodemvariabelen om een schatting te maken van veenafbraak. Uiteindelijk heeft elk model zijn eigen kracht. Denk bijvoorbeeld aan de vegetatie component van PEATLAND waar Ko het over had in zijn podcast of de toepasbaarheid van SWAP op een relatief grote ruimtelijke schaal. De kracht van het HYDRUS model ligt in een fijne ruimtelijke resolutie waarmee de temperatuur en bodemvocht heel betrouwbaar gesimuleerd kunnen worden, en uiteindelijk kunnen we met deze resultaten precies zien wat zich afspeelt in een veeweide perceel van sloot tot sloot.

00:06:43

Jim Boonman: Als je denkt aan veenafbraak is met name de onverzadigde zone belangrijk. Die heb ik al een aantal keer genoemd. De onverzadigde zone is de zone boven de grondwaterstand. Wanneer de bodem uitdroogt, dringt lucht de bodem in. Microben kunnen het zuurstof in de lucht goed gebruiken om het veen af te breken, veel sneller dan wanneer de bodem compleet nat is. Daarom zorgt uitdroging van een veenbodem dus eigenlijk altijd voor veenafbraak. Maar als de bodem verder uitdroogt, zie je dat de microben een stuk minder actief worden, omdat ze te weinig vocht hebben om het veen af te breken. Te natte condities zorgen voor te weinig lucht en te droge condities voor te weinig water voor de microben. Je vindt dat de bodemvochtwaarden ideaal zijn tussen de 60 en 85 procent van porie verzadiging. Hoe makkelijk de onverzadigde zone water vasthoudt en kwijtraakt, is dus cruciaal in onderzoek naar veenafbraak. Dus het is belangrijk te snappen hoe deze zone precies werkt. Je kunt een veenbodem zien als een soort spons. Wanneer je het in een laagje water zet, trekt het water langzaam omhoog. Dit komt doordat de poriën met elkaar in contact staan en een aanzuigende werking hebben op het water. En wanneer de spons compleet nat is en we leggen op een warme zomerdag op het strand, verdampt het water langzaam. Veenbodems kunnen ontzettend veel water vasthouden en houden ook lang vocht vast wanneer ze uitdrogen, veel langer dan bijvoorbeeld zandbodems. Er zijn functies die de uitdroging beschrijven. Een hele bekende is de van Genuchten functie. De parameters van de functie kun je invoeren in het hydrologisch model, zodat de bodem in het model zich gedraagt als een echte bodem in het veld. Maar zoals ik net als zei, zijn er altijd aannames en er is altijd onzekerheid in de parameters die je kiest. Het is bijvoorbeeld onmogelijk om alle poriën die gegraven zijn door wormen in een model te zetten. Een ander probleem is dat we zien dat een uitgedroogde bodem moeilijker vernat dan een bodem die al relatief nat was. Eigenlijk gedraagt de hydrologie in een veen bodem zich anders in de zomer dan in de winter, en er is weinig data om dit gedrag te kunnen vatten in een model. Dat is weer een klein voorbeeld van een versimpeling van de modellen die je gewoon moet accepteren als je ermee werkt.

00:08:48

Jim Boonman: Ik doe nu weer even een stapje terug. Zoals we ook in de inleiding hoorden, zijn we met z'n allen op zoek naar methoden om veenafbraak te remmen, zodat we minder bodemdaling en minder CO2 uitstoot hebben uiteindelijk. Dat heeft allemaal te maken met klimaatverandering en het Parijs akkoord, waarin afgesproken is dat we in 2030 49 procent CO2 of 49 procent minder broeikasgassen uit moeten stoten ten opzichte van 1990. En omdat veenafbraak drie tot vijf procent van de Nederlandse broeikasgasuitstoot is en het vele andere problemen veroorzaakt, wil de overheid de uitstoot dus met 1 megaton CO2 equivalenten per jaar verminderen. Het doel van mijn onderzoek is specifiek om te zien wat verschillende veranderingen in watermanagement doen met veenafbraak in veenweide gebieden in Nederland. We simuleren dus geen bepaalde locatie, maar proberen met een algemene veenbodem uitspraken te doen over veenafbraak reductie voor verschillende categorieën van veenpolders. Polders waarin bijvoorbeeld veel kwel is of polders waar de sloot heel laag staat. En ook kijken we naar het verschil in het effect van watermanagement strategieën voor nattere en drogere jaren. Als maatregelen tegen veenafbraak, modelleren we slootwaterstandsverhoging, onderwaterdrainage en drukdrainage en uiteindelijk hoop ik dat het onderzoek gebruikt kan worden door bestuurders om te kijken welke maatregelen geschikt zijn voor individuele polders.

00:10:08

Jim Boonman: Voor dit onderzoek heb ik dus het HYDRUS model gebruikt om de hydrologie en thermologie in de bodem te kunnen simuleren. Ik heb jullie al wat verteld over het modeldomein, namelijk de knooppunten in het model, maar op zichzelf gebeurt er dan niks met een model. Je moet het model altijd blootstellen aan verschillende randvoorwaarden. Een voorbeeld van een randvoorwaarde is bijvoorbeeld het oppervlak van een perceel, wat blootgesteld wordt aan regen en verdamping en op die manier kun je er dus voor zorgen dat het water in het model echt gaat stromen. Een ander voorbeeld van zo'n randvoorwaarde is de sloot, die ook ingebouwd is in het model, en door de knooppunten aan de rand van de sloot een bepaalde waarde te geven, kunnen we er dus voor zorgen dat er water naar het modeldomein naar binnen stroomt of in natte periode naar buiten stroomt, de sloot in. Dan heb ik natuurlijk ook de drains ingebouwd in het model, en die staan eigenlijk in contact met de sloot, zodat als het droog is, dat er water de bodem in kan stromen. En als laatste randvoorwaarde van het model is de ondergrens. Zoals jullie weten zijn er in heel veel polders in Nederland kwelcondities of stroomt het water juist weg uit de polders naar beneden, en ik kan met de knooppunten aan de onderkant van het model er dus voor zorgen dat er waterstroom naar het diepere grondwater of juist water omhoog stroomt, van het diepere grondwater naar het modeldomein. Ik heb dus eigenlijk een soort van basis set-up gemaakt van het model en die basis set-up wil ik graag blootstellen aan verschillende randvoorwaarden zodat we kunnen ontdekken voor bepaalde polders wat een verhoging in slootwaterstand bijvoorbeeld betekent voor die specifieke polder. Ik ga dus alle verschillende variaties van de modelruns uitrekenen en die vergelijk ik uiteindelijk met elkaar. Als ik dan uiteindelijk de resultaten heb van de modelsimulaties, weten we op elke plek in de tijd en elke plek in het model wat de temperatuur en de bodemvochtwaarde zijn, en op die manier, met die informatie, kunnen we veenafbraak berekenen.

00:12:11

Jim Boonman: Zoals ik net al vertelde, is bodemvocht leidend en temperatuur leidend. Bij nul graden Celsius zie je dat je eigenlijk bijna geen veenafbraak hebt, maar bij 20 graden Celsius zie je al heel veel veenafbraak voorkomen. Die relatie is dus niet lineair, maar eigenlijk exponentieel en zoals ik net al vertelde, heb je bij te veel bodemvocht ook geen veenafbraak omdat het nat is en bij te weinig bodemvocht ook geen veenafbraak, omdat het te droog is voor de microbe. Er zijn een aantal dingen die we hebben uitgevonden met dit model en mijn studie, en die ben ik nu aan het opschrijven voor een wetenschappelijke publicatie. Ten eerste ben ik heel blij om te kunnen zeggen dat we aan hebben kunnen tonen dat onze methode werkt. Het lijkt erop dat onze modelberekeningen vergelijkbare veenafbraak reductie schatten als die we hebben gemeten in 2020. Ook lijken de resultaten van ons onderzoek overeen te komen met de bevindingen uit internationaal onderzoek, maar daar moeten we nog dieper induiken. De resultaten die we hebben gevonden zijn niet heel vreemd. Er wordt deels bevestigd wat we al wisten: slootwaterstandverhoging leidt altijd tot de reductie in veenafbraak en onderwaterdrainage leidt tot vermindering van veenafbraak in droge jaren, vooral wanneer er geen kwel is. Bij wegzijging zijn onderwaterdrainage systemen effectiever, in natte jaren of met kwel wordt veenafbraak met onderwaterdrainage juist gestimuleerd. En uiteindelijk, als je de slootwaterstand verhoogt of drukdrainage toepast, zorg je dat onderwaterdrainage een stuk effectiever is.

00:13:41

Jim Boonman: De effecten van onderwaterdrainage zonder diepe grondwater fluxen wordt hoofdzakelijk veroorzaakt door vier belangrijke processen. Ten eerste draineren de buizen water in natte perioden, waardoor de onverzadigde zone dieper reikt dan normaal en veenafbraak toeneemt. Ten tweede warmt de bodem in droge zomers extra op met onderwaterdrainage waardoor veenafbraak ook toeneemt. Ten derde vernatten de buizen de bodem tijdens droge perioden, waardoor de diepte van de onverzadigde zone verkleind wordt. Dit is het effect waar je iedereen eigenlijk altijd over hoort praten als je het over onderwaterdrainage hebt. Maar hierdoor hebben we ook een vierde effect wat veroorzaakt wordt en dat is dat we een hogere intensiteit van veenafbraak zien in de bovenste onverzadigde bodemlagen. Dit komt doordat er water wordt aangevoerd in de onverzadigde zone door de drainage buizen, waardoor er dan dicht bij het warme oppervlak eigenlijk perfecte bodemvochtcondities ontstaan voor de microbe om het veen af te breken. Hoe deze vier processen met elkaar in balans staan, hangt af van het weer, de droogte en het slootpeil. Je kunt dus eigenlijk niet zomaar aannemen dat onderwaterdrainage altijd een goed idee is.

00:14:52

Jim Boonman: In Friesland is het effect van onderwaterdrainage ook bestudeerd en er is daar geconcludeerd dat er geen netto-effect te zien was. Onze simulaties laten zien dat er waarschijnlijk wel een effect was, maar dat het effect zo klein was dat het niet kon worden gedetecteerd met de onzekerheidsmarges in de studie. Uiteindelijk hoop ik natuurlijk echt dat mijn onderzoek snel gepubliceerd kan worden en dat we de Nederlandse, maar ook internationale veengemeenschap de goede kant op kunnen sturen als het gaat om reductie in broeikasgasemissies. Als persoonlijke noot wil ik er wel graag aan toevoegen dat er ook andere strategieën zijn om de uitstoot van veenweide gebieden te verlagen, waarbij er meer nadruk kan liggen op het herstel van het ecosysteem of waarbij het landgebruik hele andere veranderingen ondergaat. Uiteindelijk moeten we voor oplossingen kiezen die voor de lange termijn het meeste helpen, en we moeten vanuit veel meer perspectieven dan alleen maar vanuit het economische perspectief denken. Zullen de modellen ons helpen?

00:15:51

Inge Diepman: Als ik jouw college zo hoor, dan denk ik dat ik met een "ja" kan antwoorden, toch?

00:15:55

Jim Boonman: Dat denk ik ook, maar we moeten natuurlijk ook wel altijd de aannames in de gaten houden, maar het is misschien wel leuk om te vertellen dat we binnen het NOBV project ook alle modellen samen willen bundelen in een bepaald registratiesysteem, dat heet het SOMERS registratiesysteem en daarin komen dus alle modellen terug.

00:16:13

Inge Diepman: Maar is het dan de bedoeling dat je een beetje gaat grasduinen in dat registratiesysteem? Van: "nou, doe mij dat model dan maar, want dat past beter bij mijn gebied", hoe moet ik dat zien?

00:16:22

Jim Boonman: Ik denk dat elk model waardevolle informatie bezit en produceert en ik denk dat je de output van verschillende modellen samen moet zien voor verschillende gebieden. Ik denk dat je dat uiteindelijk het verst kan helpen.

00:16:37

Inge Diepman: Daarom worden die modellen ook niet ondergebracht in groot model, maar dus in een registratiesysteem.

00:16:42

Jim Boonman: Precies ja, en dat zijn we nu allemaal nog aan het opzetten. Het staat in de kinderschoenen, maar ik denk wel dat dit ons ontzettend gaat helpen om die toekomst in te kleuren voor de veenweide gebieden.

00:16:52

Inge Diepman: Dan kan ik je daarmee alleen maar ontzettend veel succes wensen. Dank je wel, Jim Boonman. Dit was het college aflevering drie, behorende bij de podcastserie Studie Veenweide: de Verdieping. Ik zou zeggen: luister ook naar die andere verdiepingscolleges. Ik noem er een paar: Jan Peter Lesschen heeft het over rapporteren van de broeikasgasmetingen, Gilles Erkens over meganistisch begrip, Ronald Hutjes heeft het over monitoren vanuit de lucht, Sien Kok over MKBA en ga zo maar door. Deze colleges in de Verdieping horen, zoals je wellicht inmiddels weet, bij de podcastserie Studio Veenweide, een podcastserie met reportages en met gasten: ook zeker te de moeite waard om te beluisteren. Dank voor de aandacht, veel plezier met de andere podcasts en tot de volgende keer.