Weten met modellen

Waterkwaliteitsmodellen kunnen een alternatief zijn voor monitoring. Ook kunnen ze de vermoedelijke toekomst voor verschillende scenario’s berekenen. De mogelijkheden ervan zijn onlangs geïllustreerd door een onderzoekster die het potentieel van GlobalNEWS-achtige modellen illustreerde voor opkomende stoffen, microplastics en vervuiling die verband houdt met de teelt van energiegewassen.

Waterkwaliteitsmodellen zijn nuttig, om verschillende redenen. Om te beginnen als alternatief voor monitoring – wereldwijd gezien gebeurt dat eigenlijk nog niet vaak. Vervolgens voor opkomende stoffen, die nog niet zijn opgenomen in monitoringprogramma’s. En ten slotte ook om trends in waterkwaliteit als gevolg van toekómstige ontwikkelingen te voorspellen.

Een model is GlobalNEWS. Het analyseert riviertransport van nutriënten naar kustzeeën in verleden, heden en toekomst en berekent de jaarlijkse, gemiddelde vracht aan nutriënten voor meer dan 6.000 stroomgebieden, wereldwijd.

“Dat model is, voor nutriënten, door velen gevalideerd”, stelt Jikke van Wijnen, Open Universiteit Nederland. Ze werkte ermee in het kader van haar doctoraatonderzoek. Ze paste het toe om de toekomstige impact van de grootschalige teelt van energiegewassen in kaart te brengen. Vervolgens paste ze het aan zodat het nieuwe modellen werden, bruikbaar voor opkomende stoffen en microplastics.

Biodiesel

Eerst onderzocht Jikke van Wijnen welke effecten toenemend biodieselgebruik zou hebben op eutrofiëring van Europese kustwateren tegen het jaar 2050. Zogenaamde ‘eerste generatie energiegewassen’ zijn meestal voedselgewassen zoals maïs, koolzaad en soja; grootschalige productie van biobrandstoffen daaruit brengt vermoedelijk een forser gebruik van synthetische meststoffen met zich mee, en zodoende ook een verhoogde export van nutriënten door rivieren. GlobalNEWS gaf als resultaat dat verhoogde productie van biodiesel daardoor de export van opgeloste, anorganische stikstof kan laten toenemen met 20 à 35 %, en die van opgeloste, anorganische fosfor met 10 à 20 % – vergeleken met een situatie zonder verhoogde productie van biodiesel.

“Met een GlobalNEWS-achtig globaal model is het relatief makkelijk om een schatting van het transport van opkomende stoffen naar de kustgebieden te maken.”

Stikstofhoudende kunstmest wordt gedeeltelijk omgezet in N₂O (distikstofoxide). Het gebruik van kunstmest bij teelt van eerste generatie energiegewassen verhoogt onder meer de N₂O-emissies via watersystemen, na uitspoeling en afvoer van stikstof uit bemeste bodems, geeft men aan. Met GlobalNEWS liet van Wijnen zien dat meer biodieselproductie de N₂O-uitstoot via watersystemen in Europa met 25 à 45 % kan doen toenemen, ten opzichte van het scenario zonder groei van de biodieselproductie.

Triclosan

Vervolgens paste Jikke van Wijnen het GlobalNEWS-model vrij grondig aan. Zo kwam ze tot een nieuw model, dat ze GlobalTCS doopte. Ze paste het toe op triclosan, als model voor opkomende stoffen die water verontreinigen. “Triclosan is een antibacteriële stof. Het wordt gebruikt in persoonlijke verzorgingsproducten zoals zeep en tandpasta. Maar het is ook een hormoonverstorende stof die in grote hoeveelheden gevaarlijk is voor enkele waterorganismen.”

Er zijn steeds meer landen en steeds meer toepassingen waarvoor de stof wordt verboden. “Maar als je over de hele wereld kijkt, zijn er nog wel plekken waar dit vaak wordt gebruikt, bijvoorbeeld in Azië, Amerika en dergelijke. Het wordt vooral via het riool verspreid door de toepassing van de stof in hygiënemiddelen, zoals bij wassen van handen.”

Uit haar analyses voor het jaar 2000 blijkt dat de export van triclosan naar kustgebieden in West- Europa, Zuidoost-Azië en de oostkust van de VS hoger was dan in de rest van de wereld. “Ik kwam aan concentraties in de monding van rivieren in onder meer Zuidoost Azië, van 50 tot 250 nanogram per liter. Dat voor het jaar 2000.”

Ze heeft de data, gegenereerd door GlobalTCS, vergeleken met gemeten data. “Die komen in grootteorde overeen. Er zijn overigens niet heel veel gemeten data voor triclosan in kustwateren beschikbaar.”

Voor de toekomst voorspelt in Zuidoost-Azië GlobalTCS een toename van de triclosan-export als gevolg van snelle bevolkingsgroei, toenemende urbanisatie en een toenemend aantal mensen dat is aangesloten op rioleringssystemen die nog niet voorzien zijn van een goede afvalwaterzuivering.

Die case illustreert volgens haar dat GlobalNEWS kan aangepast worden om het gedrag van ook andere opkomende stoffen dan triclosan na te gaan. “Het in kaart brengen van opkomende stoffen is lastig, omdat er vaak te weinig gegevens over deze stoffen bekend zijn. Maar met een GlobalNEWS-achtig globaal model is het relatief makkelijk om toch een schatting van het transport van deze stoffen naar de kustgebieden te maken.“

“Volgens mijn model komt wereldwijd 50 000 ton per jaar microplastics in kustwater terecht, als gevolg van het transport met rivieren.”

Microplastics

Tenslotte paste ze het GlobalNEWS-model aan zodat het ook voorspellingen doet wat microplastics betreft. Dat nieuwe model noemde ze GREMiS (Global Riverine Export of Microplastics into Seas). “Het liet me toe te berekenen hoeveel op dit moment in het kustwater terechtkomt, als gevolg van het transport met rivieren. Dat is best veel. Voor de hele wereld kom ik aan 50 000 ton per jaar.”

Uit haar resultaten blijkt dat de export van microplastics varieert per wereldregio, met hotspots in Zuid-Amerika en, opnieuw, Zuidoost-Azië. Het scenario ‘Business as usual’ voor 2050 laat de mondiale export van microplastics in 2050 met 50 % toenemen. Een betere inzameling en verwerking van afval en een betere verwijdering van microplastics in afvalwaterzuiveringsinstallaties, zoals aangenomen in het ‘Environment profit’-scenario, kan de export van microplastics net met 50 % doen dalen.

“Mijn resultaten voor microplastics komen in de buurt van wat tot nu toe gemeten is – tot nu toe is wel nog niet veel gemeten, en de metingen die er zijn, lopen erg uiteen”, stelt Jikke van Wijnen. “In de toekomst zou ik verder gaan met dit model. Er zijn nog andere bronnen waarin ik geïnteresseerd ben, en waar ik nog geen rekening mee hield. Die zou ik dan eveneens meenemen in het model. Denk bijvoorbeeld aan macroplastics afkomstig van landbouwplastic dat op het land wordt gebruikt en heel diffuus in het milieu terechtkomt.”

Eén model-benadering

“Het blijkt dus mogelijk om op de manier van GlobalNEWS ook het riviertransport van andere stoffen dan nutriënten naar kustwateren in kaart te brengen”, concludeert Jikke van Wijnen.

Het gebruik van één modelbenadering om meerdere verontreinigingsproblemen te bestuderen heeft zelfs enkele voordelen, is te horen, zoals een betere samenhang (bijvoorbeeld in de wereldwijde hydrologie), de mogelijkheid om afwenteling tussen verschillende problemen tegen te gaan en een makkelijkere communicatie met externe partijen. Wordt vervolgd?

Door Koen Vandepopuliere

www.ou.nl