Installation of submerged drains (Jan van den Akker)

Submerged drains (Países Baixos)

Onderwaterdrains (NL)

Descrição

Submerged drains are drains installed in grassland on peatsoils with the aims to decrease soil subsidence and emission of CO2 and N2O due to the oxidation of peat soil, and to maintain suitable groundwater levels in fields for grassland production and grazing.

Contrary to usual drains, submerged drains are installed below ditchwater level. Submerged drains diminish the differences between ditch level and groundwater level in the fields by enabling the infiltration from ditch to field and the drainage from field to ditch.
In summer and dry periods the infiltration from ditch to field is much lower than the evapotranspiration of the grass, resulting in a lowering of the groundwater level some decimetres below ditch water level. With submerged drains the groundwater level is lowered less drastically because infiltration from ditch to field is improved. In winter and wet periods, fields are drained more quickly compared to conventional drainage.

Purpose of the Technology: Submerged drains diminish the differences between ditch level and groundwater level in the fields by enabling the infiltration from ditch to field and the drainage from field to ditch. Under peak rainfall events groundwater levels become less high and remain at high levels for shorter times than in fields without submerged drains.
Due to the increased groundwater level in summer the decomposition of the peat soil is reduced. As a result, the rate of soil subsidence is decreased and also the emission of greenhouse gases and of N and P released to the surface water.

Establishment / maintenance activities and inputs: The installation of submerged drains is done with common drainage installation machines. Submerged drains should be installed between 15 and 25 cm below the ditch water level, and between 45 and 75 cm below the soil surface. The drain pipes should have a diameter of at least 6 cm. The distance between drains is at most 6 m. Drain length is at most 300 m. Submerged drains can be installed in the length or width direction of a field. Drains must be installed level.

Natural / human environment: Submerged drains were designed for peat soils under permanent pasture for dairy farming. More than 70 % of Dutch peat soils are under this land use. Drainage of these peat soils results in subsidence, mainly by decomposition (oxidation) of the peat (partly by shrinkage and consolidation). This is an ongoing process, because every 10 to 15 year ditchwater levels are adapted to the lowered surface in order to enable dairy farming and to prevent the conversion to wetlands. Soil subsidence causes several problems: decreased suitability for grazing and grassland farming, increased flood risk, emission of greenhouse gases, damage to infrastructure (dikes, roads, foundations, sewerage networks) and increased cost of water management.

Submerged drains were tested with a network of practitioners and 10 dairy farmers in the Dutch peat soil area between 2011 and 2013 on an area of 20 ha.

Localização

Localização: Krimpenerwaard, The Netherlands/Province of Zuid-Holland, Países Baixos

Nº de sites de tecnologia analisados:

Geo-referência de locais selecionados
  • 4.72384, 51.94813

Difusão da tecnologia: Uniformemente difundida numa área (0.054 km²)

Em uma área permanentemente protegida?:

Data da implementação: menos de 10 anos atrás (recentemente)

Tipo de introdução

Classificação da Tecnologia

Objetivo principal
  • Melhora a produção
  • Reduz, previne, recupera a degradação do solo
  • Preserva ecossistema
  • Protege uma bacia/zonas a jusante – em combinação com outra tecnologia
  • Preservar/melhorar a biodiversidade
  • Reduzir riscos de desastre
  • Adaptar a mudanças climáticas/extremos e seus impactos
  • Atenuar a mudanças climáticas e seus impactos
  • Criar impacto econômico benéfico
  • Cria impacto social benéfico
Uso da terra

  • Pastagem
    • Pastos melhorados

Abastecimento de água
  • Precipitação natural
  • Misto de precipitação natural-irrigado
  • Irrigação completa

Objetivo relacionado à degradação da terra
  • Prevenir degradação do solo
  • Reduzir a degradação do solo
  • Recuperar/reabilitar solo severamente degradado
  • Adaptar à degradação do solo
  • Não aplicável
Degradação abordada
  • Deteriorização química do solo - Cn: declínio de fertilidade e teor reduzido de matéria orgânica (não causado pela erosão)
  • Deteriorização física do solo - Pw: estagnação hídrica, Ps: Subsidência de solos orgânico, sedimentação do solo
  • Degradação da água - Hg: mudança no lençol freático/aquífero, Hp: declínio da qualidade de água de superfície
Grupo de GST
  • Desvio e drenagem de água
  • Gestão do lençol freático
Medidas de GST
  • Medidas estruturais - S4: Valas de nível, fossos
  • Medidas de gestão - M7: Outros

Desenho técnico

Especificações técnicas
The picture shows a cross section through an agricultural field, bounded by two ditches. A submerged drain (yellow bar in the picture) is installed at 80 cm below the soil surface. It ends in the ditch on the left side at 20 cm below the water level in the ditch. The dotted line indicates the position of the groundwater table in the situation without the submerged drain; the continuous blue line indicates the position in the situation where the submerged drain is installed. The lines show that in summer the groundwater level is raised to nearly the level of the ditch water by the submerged drain, whereas the level would be approximately 30 cm lower without the drain.
In winter, in the situation with the submerged drain, the groundwater level is around 40 cm below the soil surface. This enables the farmer to use the field for grazing or to traffic the field. However, in the situation without the drain, the groundwater level nearly reaches the soil surface in the centre of the field, impeding traffic or grazing on the field.

Technical knowledge required for field staff / advisors: moderate (Estimates of economic benefits due to increased grass production and grazing periods vary between years with meteorological conditions.)

Technical knowledge required for land users: moderate (Specific conditions apply to the dimensions and positioning of submerged drains in the fields. Level position and lebgth are critical.)

Technical knowledge required for companies installing the drains: moderate (Specific conditions apply to the dimensions and positioning of submerged drains in the fields. Level position and lebgth are critical. Soil must have sufficient bearing capacity during installation.)

Technical knowledge required for water board: moderate (submerged drains increase the water supply and discharge from groundwater level management units. Additional pumping effort can be prevented by informed water level management.)

Technical knowledge required for researchers: (the implications of submerged drains on the water management in an entire management unit should be explored using coupled hydraulic and rainfall-runoff models.)

Main technical functions: improvement of topsoil structure (compaction), maintaining soil organic matter

Secondary technical functions: increase of infiltration, increase / maintain water stored in soil, drainage of excess rainfall

Other type of management: Maintaining high groundwater levels.
Author: Jan van den Akker, Alterra, Droevendaalsesteeeg 3, 6708 PB Wageningen, The Netherlands

Estabelecimento e manutenção: atividades, insumos e custos

Cálculo de insumos e custos
  • Os custos são calculados:
  • Moeda utilizada para o cálculo de custos: euro
  • Taxa de câmbio (para USD): 1 USD = 1.09 euro
  • Custo salarial médio da mão-de-obra contratada por dia: n.a
Fatores mais importantes que afetam os custos
We do not have information on specific cost items, only on establishment costs ad between 1500 and 1800 euro/ha, and annual cost of 117 €/ha incl maintenance, assuming a 20-year life time. Establishment costs can also be expressed per m of drain, i.e. 1.10 EURO per m including materials (drain of 6 cm diameter). Determinate factors include size and geometry of fields; installation in the length direction is cheaper, and results in fewer outlets in the receiving ditch.
Atividades de implantação
  1. maintenance of drains and outlet in ditch (Periodicidade/frequência: None)
  2. installation of submerged drains (Periodicidade/frequência: in dry periods)
Estabelecer insumos e custos
Especifique a entrada Unidade Quantidade Custos por unidade (euro) Custos totais por entrada (euro) % dos custos arcados pelos usuários da terra
Mão-de-obra
maintenance of drains and outlet in ditch ha 1,0 30,14 30,14 100,0
installation of submerged drains ha 1,0 1980,0 1980,0 100,0
Custos totais para a implantação da tecnologia 2'010.14
Custos totais para o estabelecimento da Tecnologia em USD 1'844.17
Atividades de manutenção
  1. maintenance of submerged drains (Periodicidade/frequência: several times in lifetime of drains (30 y))
Insumos e custos de manutenção
Especifique a entrada Unidade Quantidade Custos por unidade (euro) Custos totais por entrada (euro) % dos custos arcados pelos usuários da terra
Outros
Annual cost incl maintenance ha 1,0 127,0 127,0 100,0
Custos totais para a manutenção da tecnologia 127.0
Custos totais de manutenção da Tecnologia em USD 116.51

Ambiente natural

Média pluviométrica anual
  • <250 mm
  • 251-500 mm
  • 501-750 mm
  • 751-1.000 mm
  • 1.001-1.500 mm
  • 1.501-2.000 mm
  • 2.001-3.000 mm
  • 3.001-4.000 mm
  • > 4.000 mm
Zona agroclimática
  • úmido
  • Subúmido
  • Semiárido
  • Árido
Especificações sobre o clima
Distribution of rainfall over the year: 23% (winter), 19% (spring), 27% (summer) and 31% (autumn)
Thermal climate class: temperate
Inclinação
  • Plano (0-2%)
  • Suave ondulado (3-5%)
  • Ondulado (6-10%)
  • Moderadamente ondulado (11-15%)
  • Forte ondulado (16-30%)
  • Montanhoso (31-60%)
  • Escarpado (>60%)
Formas de relevo
  • Planalto/planície
  • Cumes
  • Encosta de serra
  • Encosta de morro
  • Sopés
  • Fundos de vale
Altitude
  • 0-100 m s.n.m.
  • 101-500 m s.n.m.
  • 501-1.000 m s.n.m.
  • 1.001-1.500 m s.n.m.
  • 1.501-2.000 m s.n.m.
  • 2.001-2.500 m s.n.m.
  • 2.501-3.000 m s.n.m.
  • 3.001-4.000 m s.n.m.
  • > 4.000 m s.n.m.
A tecnologia é aplicada em
  • Posições convexas
  • Posições côncavas
  • Não relevante
Profundidade do solo
  • Muito raso (0-20 cm)
  • Raso (21-50 cm)
  • Moderadamente profundo (51-80 cm)
  • Profundo (81-120 cm)
  • Muito profundo (>120 cm)
Textura do solo (superficial)
  • Grosso/fino (arenoso)
  • Médio (limoso, siltoso)
  • Fino/pesado (argila)
Textura do solo (>20 cm abaixo da superfície)
  • Grosso/fino (arenoso)
  • Médio (limoso, siltoso)
  • Fino/pesado (argila)
Teor de matéria orgânica do solo superior
  • Alto (>3%)
  • Médio (1-3%)
  • Baixo (<1%)
Lençol freático
  • Na superfície
  • < 5 m
  • 5-50 m
  • > 50 m
Disponibilidade de água de superfície
  • Excesso
  • Bom
  • Médio
  • Precário/nenhum
Qualidade da água (não tratada)
  • Água potável boa
  • Água potável precária (tratamento necessário)
  • apenas para uso agrícola (irrigação)
  • Inutilizável
A qualidade da água refere-se a:
A salinidade é um problema?
  • Sim
  • Não

Ocorrência de enchentes
  • Sim
  • Não
Diversidade de espécies
  • Alto
  • Médio
  • Baixo
Diversidade de habitat
  • Alto
  • Médio
  • Baixo

Características dos usuários da terra que utilizam a tecnologia

Orientação de mercado
  • Subsistência (autoabastecimento)
  • misto (subsistência/comercial)
  • Comercial/mercado
Rendimento não agrícola
  • Menos de 10% de toda renda
  • 10-50% de toda renda
  • >50% de toda renda
Nível relativo de riqueza
  • Muito pobre
  • Pobre
  • Média
  • Rico
  • Muito rico
Nível de mecanização
  • Trabalho manual
  • Tração animal
  • Mecanizado/motorizado
Sedentário ou nômade
  • Sedentário
  • Semi-nômade
  • Nômade
Indivíduos ou grupos
  • Indivíduo/unidade familiar
  • Grupos/comunidade
  • Cooperativa
  • Empregado (empresa, governo)
Gênero
  • Mulheres
  • Homens
Idade
  • Crianças
  • Jovens
  • meia-idade
  • idosos
Área utilizada por residência
  • < 0,5 ha
  • 0,5-1 ha
  • 1-2 ha
  • 2-5 ha
  • 5-15 ha
  • 15-50 ha
  • 50-100 ha
  • 100-500 ha
  • 500-1.000 ha
  • 1.000-10.000 ha
  • > 10.000 ha
Escala
  • Pequena escala
  • Média escala
  • Grande escala
Propriedade da terra
  • Estado
  • Empresa
  • Comunitário/rural
  • Grupo
  • Indivíduo, não intitulado
  • Indivíduo, intitulado
Direitos do uso da terra
  • Acesso livre (não organizado)
  • Comunitário (organizado)
  • Arrendado
  • Indivíduo
Direitos do uso da água
  • Acesso livre (não organizado)
  • Comunitário (organizado)
  • Arrendado
  • Indivíduo
Acesso a serviços e infraestrutura
Saúde

Pobre
Bom
Educação

Pobre
Bom
Assistência técnica

Pobre
Bom
Emprego (p. ex. não agrícola)

Pobre
Bom
Mercados

Pobre
Bom
Energia

Pobre
Bom
Vias e transporte

Pobre
Bom
Água potável e saneamento

Pobre
Bom
Serviços financeiros

Pobre
Bom

Impactos

Impactos socioeconômicos
Produção de forragens
diminuído
aumentado

Quantidade anterior à GST: 10.7-12.4 tons DM/ha11575
Quantidade posterior à GST: 9.8-12.4 ton DM/ha10975
Net grass yields (DM) measured on experimental plots. May slightly decrease due to SMD, but less loss due to trampling, increased length of grazing season. This delivers 500 kg DM/ha extra fodder produced and 30 extra grazing days.
But also loss possible: From 11575 kg DM/ha to 10975 kg DM/ha Decrease in grass yield is possible between 3 and 9%. This does not take into account losses due to tramping in situation without drains and longer grazing season under SMD.

Risco de falha de produção
aumentado
diminuído


SMD enable a longer grazing season, increased bearing capacity and reduced risk of flooding of fields

Despesas com insumos agrícolas
aumentado
diminuído


reduced additional feedstock; benefits of extra grass yields and grazing days amount to 171 euro/ha

Rendimento agrícola
diminuído
aumentado


net benefits of installing SMD are approx. 54 euro per ha per year

Carga de trabalho
aumentado
diminuído


trafficability and workability of fielfds improved due to drier topsoil conditions and increased bearing capacity

inlet and drainage of water
None
None


SMD require an increased inlet and drainage of water in the ditches by the water board, increased pumping hours: 10-22% in dry years; 7-12% in wet years.
Inlet: extra 36-86 mm/y in dry years, 19-45 mm in wet years
Drainage: 17-59 mm in dry years; 33-60 in wet year

Impactos socioculturais
Instituições comunitárias
Enfraquecido
Fortalecido


Community of Practice on SMD in peat soils enabled knowledge transfer between land users, research insttitutes, farmer's association and authorities

Instituições nacionais
Enfraquecido
Fortalecido


The CoP has informed water boards and provinces in the part of The Netherlands with problems due to soil subsidence

Improved livelihoods and human well-being
decreased
increased


The long-term experiments in The Netherlands, pilots and activities of the farmers organisation LO Nederland, the Veenweide Informatie Centrum and the Community of Practice Submerged Drainage on Peat soils have increased the understanding of participating farmers of submerged drainage, the water accounting of their land, soil and soil quality. Tjey acquired practical knowledge on the implementation of the technology. Participating farmers continue to exchange knowledge and intend to extend the area under SMD. As a result of the pilots and the activities of the Community of Practice, interest for submerged drainage was raised among other dairy farmers, policy makers and authorities.

Impactos ecológicos
Qualidade de água
diminuído
aumentado


slight decrease of export of N, P and SO4 to the surface water

Drenagem de excesso de água
Reduzido
Melhorado


SMD increased drainage by 20-65 mm per year in 2011 and 2012

Umidade do solo
diminuído
aumentado


SMD increased infiltration by 8-93 mm per year in 2011 and 2012

Compactação do solo
aumentado
Reduzido


decreased soil subsidence to 50% (reductions of 3-6 and 5-8 mm/year)

Diversidade animal
diminuído
aumentado


no direct impact on breeding conditions for meadow birds

Emissão de carbono e gases de efeito estufa
aumentado
diminuído


decreased GHG emissions in CO2 eq: 6.8-13.5 t/ha per year (pilot Keulevaart) and 11.3-18.1 (pilot Demmeriksekade)

Hazard towards adverse events
improved
reduced


quicker lowering of groundwater table after extreme rainfall events (1-5 days)

Water management
harder
easier


More easy water management in polders: Fewer sub-polders with fixed ditch water level; possibility to create areas with high and low surface levels

Impactos fora do local
Danos na infraestrutura pública/privada
aumentado
Reduzido


reduced costs of infrastructure protection (30% or 3.5 M€/year until 2100 in the Frisian peat meadow area)

Análise do custo-benefício

Benefícios em relação aos custos de estabelecimento
Retornos a curto prazo
muito negativo
muito positivo

Retornos a longo prazo
muito negativo
muito positivo

Benefícios em relação aos custos de manutenção
Retornos a curto prazo
muito negativo
muito positivo

Retornos a longo prazo
muito negativo
muito positivo

A longer grazing season and the extra yield of fodder are the basis for a viable implementation of submerged drainage for land users. The CBA considers establishment and maintenance costs together: establishment costs of € 1800,-/ha, discounted over 20 years, including maintenance, result in annual cost of € 117,-/ha (6.5% of the investment). Benefits include 500 kg DM/ha extra grass use and 30 extra grazing days. This would yield € 171/ha, resulting in a net saldo of € 54,-. In addition SMD are an investment in sustainable soil management, resulting in an increased economic value of the land in the long term.

Mudança climática

Mudança climática gradual
Temperatura anual aumento

não bem em absoluto
muito bem
Extremos (desastres) relacionados ao clima
Temporal local

não bem em absoluto
muito bem
Tempestade de vento local

não bem em absoluto
muito bem
Seca

não bem em absoluto
muito bem
Resposta: não conhecido
Inundação geral (rio)

não bem em absoluto
muito bem
Outras consequências relacionadas ao clima
Período de crescimento reduzido

não bem em absoluto
muito bem

Adoção e adaptação

Porcentagem de usuários de terras na área que adotaram a Tecnologia
  • casos isolados/experimental
  • 1-10%
  • 11-50%
  • > 50%
De todos aqueles que adotaram a Tecnologia, quantos o fizeram sem receber incentivos materiais?
  • 0-10%
  • 11-50%
  • 51-90%
  • 91-100%
Número de residências e/ou área coberta
13
A tecnologia foi recentemente modificada para adaptar-se as condições variáveis?
  • Sim
  • Não
A quais condições de mudança?
  • Mudança climática/extremo
  • Mercados dinâmicos
  • Disponibilidade de mão-de-obra (p. ex. devido à migração)

Conclusões e experiências adquiridas

Pontos fortes: visão do usuário de terra
  • Submerged drains increase the number of days with a good bearing capacity of grassland, and therefore enable a longer grazing season and less trampling of grass.
  • Higher effective yield in total.
  • Short term: slightly cost effective. Long term: good cost effective.
Pontos fortes: a visão do/a compilador/a ou de outra pessoa capacitada
  • Submerged drains allow a strong reduction of soil subsidence and GHG emissions (at least 50%, even >50% if combined with higher ditch water levels).

    How can they be sustained / enhanced? Further implementation by dairy farmers in the peat-meadow area. For this purpose the Community of Practice is recommended, as well as the arrangement of subsidies and the active involvement of regional government and water board. This applies to all mentioned advantages.
  • The quality of surface water in ditches will slightly improve.
  • Less problems with difference between subsiding soil surfaces and constant water levels in lakes and high water ditches (along houses).
  • Less sub-polders with a certain fixed ditch water level, and possibility to create areas with a high surface level (with submerged drains) and a low surface level (without SD).
Pontos fracos/desvantagens/riscos: visão do usuário de terracomo superar
  • Grass yield is lower due to reduced mineralization of nitrogen. Yield could be increased due to better usage of manure (better NUE). On the other hand yield is increased due to increased number of days with a good bearing capacity of grassland, and a longer grazing season and less trampling of grass.
Pontos fracos/desvantagens/riscos: a visão do/a compilador/a ou de outra pessoa capacitadacomo superar
  • Submerged drains require more inlet water to polders. Reduction of inlet requirement is possible by smart water management. This implies water level margins of +/- 10 cm and the use of weather forecasting.
  • Submerged drains require a bit more pumping to drain water under extreme rain events.

Referências

Compilador/a
  • Simone Verzandvoort
Editores
Revisor
  • Fabian Ottiger
  • Alexandra Gavilano
Data da documentação: 30 de Outubro de 2015
Última atualização: 5 de Junho de 2019
Pessoas capacitadas
Descrição completa no banco de dados do WOCAT
Dados GST vinculados
A documentação foi facilitada por
Instituição Projeto
Referências-chave
  • Several reports on submerged drainage are available from Alterra, Wageningen UR (in Dutch). The report used for this WOCAT QT is:Effecten van onderwaterdrains in peilvak 9 van polder Groot-Wilnis Vinkeveen : modelstudie naar de effecten van onderwaterdrains op maaivelddaling, waterbeheer, wateroverlast en waterkwaliteit in peilvak 9 Author(s)Hendriks, R.F.A.; Akker, J.J.H. van den; Jansen, P.C.; Massop, H.Th.L. SourceWageningen : Alterra Wageningen UR, 2014 (Alterra-rapport 2480) - p. 124Other literature (in Dutch): Waarheen met het veen. Woestenberg, M. 2009. Uitegeverij Landwerk and Alterra, Wageningen URhttp://www.levenmetwater.nl/static/media/files/Boek_wmhv_def.pdf: Alterra Reports are available atlibrary.wur.nl
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