Michiel Maertens werkt als hydroloog in het Digital Water team van VITO. Zijn expertise ligt in het in kaart brengen van grondwaterstromingen, bodemvocht en transport van polluenten via numerische modellen en sensornetwerken. Michiel behaalde zijn doctoraatstitel in 2021 waar hij zich verdiepte in satellietwaarnemingen (van bodemvocht) en hydrologische modellen. In deze blog geeft Michiel duiding over hoe bodemvocht kan waargenomen worden vanuit de ruimte en wat de mogelijke toepassingen kunnen zijn. Binnen VITO werken experten op het vlak van hydrologie en remote sensing in het kader van de Terrascope diensten nauw samen.
Waarom bodemvocht?
Bodemvocht verwijst naar het watergehalte in de bovenste laag van de bodem en beschrijft hoe nat of droog de grond is. Het is een belangrijke variabele voor plantengroei en - samen met neerslag en verdamping – vormt het een basiscomponent van de hydrologische cyclus.
Hoeveel water een bodem exact bevat, hangt dus voor een groot deel af van klimatologische factoren. Daarnaast kunnen ook menselijke factoren bodemvocht beïnvloeden zoals irrigatie of het aanleggen van drainage-netwerken. In box 1 wordt aangetoond dat bodemvocht niet hetzelfde is als grondwater. Toch staan beide in nauw contact met elkaar. De mate waarin het grondwater wordt aangevuld is sterk afhankelijk van de hoeveelheid water in de bodem.
Het meten en monitoren van bodemvocht is echter niet altijd even makkelijk. De meest betrouwbare informatie kan bekomen worden op basis van in situ gegevens (bijvoorbeeld door het installeren van een sensor op specifieke locaties). Dergelijke sensoren bieden de meest betrouwbare en nauwkeurige gegevens over temporele variaties in bodemvocht. Daarnaast kunnen ze ook het bodemvocht meten op verschillende dieptes. Het verkrijgen van gegevens van in situ netwerken is echter een uitdaging vanwege de hoge uitvoerings- en onderhoudskosten. Daarnaast meten traditionele bodemvochtsensoren over het algemeen op een zeer lokaal niveau (meestal 5-10 centimeter rond de sensor) waardoor deze metingen niet altijd even representatief zijn op een grotere schaal.
Box 1: Bodemwater versus grondwater
Bodemvocht is het water dat zich bevindt in de poriën tussen de bodemdeeltjes, boven de grondwatertafel (onverzadigde zone). Naast water, bevindt zich ook lucht in de poriën. Onder de grondwatertafel (verzadigde zone) is de bodem volledig verzadigd met water en is er geen lucht meer aanwezig in de poriën.
Als gevolg van neerslag, verdamping en waterverbruik door planten in het groeiseizoen varieert het bodemvochtgehalte gedurende het jaar. De mate van fluctuatie in het bodemvocht is o.a. afhankelijk van bodemtype, grondwaterdiepte en vegetatie. Als de bodem voldoende water bevat, kan het percoleren naar het grondwater, en zo de grondwater reserves aanvullen.
Satellietwaarnemingen over België
Dankzij technologische ontwikkelingen is het nu ook mogelijk om bodemvocht vanuit de ruimte waar te nemen. Er zijn verschillende satellieten die in een baan rond de onze planeet het aardoppervlak monitoren met een radar-instrument of radiometer. Deze meetinstrumenten registreren microgolven die de bovenste 5 centimeter van de bodem uitstraalt (radiometer) of weerkaatst (radar). Dat signaal varieert met de hoeveelheid bodemvocht. Algoritmes bepalen het bodemvochtgehalte op basis van dit microgolfsignaal. Het grote voordeel van microgolf-waarnemingen is dat ze niet gehinderd zijn door wolken, en ook ’s nachts data kunnen verzamelen. Zo kunnen continue tijdsreeksen van bodemvocht verzameld worden op continentale schaal.
Dergelijke informatie laat toe om inzicht te krijgen in bodemvochtdynamieken over grote gebieden. Zo toont Figuur 1 een animatie van bodemvocht (op 10 cm diepte) in België voor de periode maart-juni 2022. De data zijn afgeleid van het Copernicus Soil Water Index product, en geven weer hoeveel water zich in de poriën bevindt, uitgedrukt in procent (zie box 2). Het detecteren van veranderingen in bodemvocht zijn van belang aangezien bodemvocht een sterke impact heeft op de landbouwproductiviteit en de gezondheid van ecosystemen.
Figuur 1: Animatie van het Copernicus Soil Water Index product voor de periode maart-juni 2022 met een ruimtelijke resolutie van 1 km (dubbelklik voor animatie)
Daarnaast kunnen de data ook belangrijke inzichten geven in ruimtelijke en temporele patronen van bijvoorbeeld (hydrologische) droogte. Zo toont figuur 2 de gemiddelde bodemvocht anomalie (afwijking) voor de maanden juni en augustus 2022 t.o.v. het gemiddelde bodemvocht in diezelfde maand berekend over de periode 2015-2022. Een blauwe kleur betekent dat de bodem natter is dan normaal, een rode kleur wijst op een drogere bodem dan normaal. De figuur leert ons dat de bodems in Vlaanderen in juni 2022 nog niet abnormaal droog waren. In juni 2022 viel er redelijk wat neerslag waardoor de bovenste bodemlagen voldoende water konden opnemen. De zeer droge zomermaanden hebben er echter voor gezorgd dat de bodems tegen augustus volledig waren uitgedroogd en veel droger waren dan gemiddeld.
Figuur 2: Afwijking van het bodemvocht in Juni en Augustus 2022 t.o.v. van het gemiddelde bodemvocht voor diezelfde maanden (berekend over de periode 2015-2022)
Vanzelfsprekend zijn onzekerheden en fouten inherent aan bodemvocht-schattingen vanuit de ruimte. Vergelijken van satelliet-waargenomen bodemvocht met ter plekke waargenomen metingen (via bodemvochtsensoren) blijft dan ook van cruciaal belang om betrouwbare applicaties te ontwikkelen. Figuur 3 toont een tijdsreeks van bodemvocht waargenomen te Overpelt en Liedekerke met een in-situ sensor (blauwe kleur, VMM-data) en met een satelliet (rode kleur). De grijze balkjes tonen de dagelijkse neerslag. De figuur toont aan dat de satelliet en sensor vrij gelijkaardige bodemvocht-schattingen opleveren, al neigen de satellietwaarnemingen tijdens de zomermaanden naar een overschattingen van het bodemvocht.
Figuur 3: Tijdseries van dagelijks satelliet-waargenomen bodemvocht (Copernicus SWI) versus in situ bodemvocht (VMM sensoren) op 10 cm diepte voor de periode 2015 – augustus 2022 te Overpelt en Liedekerke. De grijze balkjes tonen de dagelijkse neerslag.
Box 2: Copernicus Soil Water Index
Het Copernicus Soil Water Index (SWI)-product geeft de verzadigingsgraad van de bodem weer, uitgedrukt in %. Het product heeft een ruimtelijke resolutie van 1 km en maakt gebruik van microgolf-straling gemeten door de Sentinel-1 satelliet. De satelliet-observaties worden geassimileerd in een hydrologisch model om zo op dagelijkse basis bodemvocht-schattingen te produceren op Europese schaal op verschillende dieptes. Het resulterende product bereikt zowel een hoge temporele als ruimtelijke resolutie, waardoor hydrologische toepassingen van radargegevens steeds meer voor verschillende applicaties kunnen worden ingezet.
Applicaties
De snelle evolutie in technieken en algoritmes om bodemvocht af te leiden uit microgolf-signalen, heeft geleid tot meer betrouwbare bodemvocht-schattingen met een hoge resolutie. Dergelijke data hebben het potentieel om een belangrijke bron van informatie te worden voor zowel hydrologisch onderzoek, waterbeheer als agrarische toepassingen. Tot op heden worden satelliet-waargenomen schattingen van bodemvocht vooral in een wetenschappelijk context gebruikt en blijven de applicaties in commerciële of publieke context relatief beperkt.
Satellietwaargenomen bodemvochtschattingen kunnen in combinatie met in situ metingen van grondwaterstanden bijdragen aan een verbeterde kennis over hydrologische processen in de ondergrond wat kan leiden tot een efficiënter en effectiever waterbeheer. Bodemvocht bepaalt in belangrijke mate de grondwatervoeding. De combinatie van satelliet-waargenomen bodemvocht en grondwaterstanden zou ons in staat kunnen stellen om grondwaterstandmetingen verder op te schalen op regionale schaal (van puntmetingen naar grondwaterstanden op regionale schaal). Dit kan bijdragen aan een verbeterde kennis omtrent hydrologische processen en vooral ook de hydraulische eigenschappen van bodem en ondergrond, wat kan leiden tot een efficiënter en effectiever waterbeheer.
Ook voor landbouwapplicaties kunnen satellietwaargenomen bodemvochtmetingen mogelijk relevant zijn. Planten halen hun vocht voornamelijk uit de bodem. Bodemvochtschattingen kunnen zowel op globale schaal als op lokale schaal belangrijk zijn voor het inschatten van de gewas-stress door droogte en zo dienen ter ondersteuning bij bepaalde beslissingen. Zo kan gedetailleerde, betrouwbare en tijdige informatie over de huidige toestand van bodem hun nut hebben bij het bepalen wanneer akkers geïrrigeerd moeten worden of waar en wanneer gezaaid en geoogst kan worden.