De federale regering meldt dat 40 staten tegen 2024 watertekorten verwachten en dat sommige steden in de Verenigde Staten al te kampen hebben met waterzorgen. Ondergrondse watervoerende lagen die jarenlang werden aangeboord, schreeuwen nu om te worden aangevuld. Het probleem is dat de twee belangrijkste strategieën voor het vergroten van de watervoorziening - het opvangen van afstromend regenwater en het recyclen van behandeld afvalwater - meestal afzonderlijke processen zijn die tot dure en onderbenutte infrastructuur kunnen leiden.

Nu hebben twee milieu-ingenieurs van Stanford een computerplanningstool ontwikkeld, AquaCharge genaamd, die stedelijke waterbedrijven helpt om naar hun lokale omstandigheden te kijken en te begrijpen hoe ze deze twee watervoorzieningsstrategieën kunnen combineren tot een geïntegreerd, efficiënt en kosteneffectief systeem dat watervoerende lagen aanvult.

Deze planningstool en hybride aanpak zijn zo innovatief dat de American Society of Civil Engineers onlangs Jonathan Bradshaw eerde, een afgestudeerde student in civiele en milieutechniek, en Richard Luth, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek, voor de ontwikkeling van AquaCharge.

"De ideeën om afvalwater te recyclen en regenwater op te vangen zijn niet nieuw, " zei Luthy. "Wat hier nieuw is, is na te denken over hoe we wat voorheen afzonderlijke systemen waren, kunnen combineren in een enkele benadering om grondwater aan te vullen."

Kosten versus behoefte

Geen van beide strategieën om de watervoorziening te vergroten is zonder nadelen. Een aantal nutsbedrijven in Californië verzamelt regenwater, zoals de regenval die tijdens het natte seizoen van de berghellingen stroomt, en kanaliseer het in grote "verspreidende bassins, " die in wezen lekkende vijvers zijn die poreus genoeg zijn om water terug te laten sijpelen naar een watervoerende laag. Watervoerende lagen dienen als natuurlijke opslagbanken, water vasthouden voor toekomstig gebruik in plaats van het naar de oceaan te laten spoelen.

Hoewel deze aanpak effectief is, verspreidingsbassins vereisen een grote hoeveelheid land die vaak onderbenut wordt. Dat komt omdat ingenieurs de bassins doorgaans zo hebben ontworpen dat ze groot genoeg zijn om grote hoeveelheden water op te vangen en te verwerken tijdens het stormachtige seizoen. Als gevolg van dit ontwerp, de bassins blijven grotendeels inactief tijdens de droge maanden. Volgens sommige schattingen De verspreidingsbekkens van Los Angeles sijpelen gemiddeld slechts 12 procent van hun theoretische jaarlijkse capaciteit door. Niet alle districten hebben toegang tot land dat zo'n groot deel van het jaar niet kan worden gebruikt.

Afvalwaterrecycling brengt een andere reeks uitdagingen met zich mee. Sommige nutsbedrijven behandelen afvalwater tot het punt dat het veilig kan worden gebruikt voor landbouwirrigatie of bepaalde industriële doeleinden, zoals het circuleren door de koeltorens van een elektriciteitscentrale. Dergelijke toepassingen verminderen de belasting van watervoerende lagen of andere waterbronnen.

Echter, regelgeving vereist dat dit gerecyclede water wordt getransporteerd in een pijpleiding die gescheiden is van drinkwaterleidingen. Hoewel veel steden een groot potentieel hebben om gerecycled water te produceren, de hoge kosten van dergelijke gescheiden leidingsystemen zorgen ervoor dat slechts een klein deel van dit potentieel daadwerkelijk wordt ontwikkeld. En zo stroomt het meeste gezuiverde afvalwater terug in de zee, of in rivieren en beken.

Een hybride systeem

Met deze afwegingen regio's kunnen besluiten dat de grondvereisten of pijpleidingkosten hen naar het ene of het andere systeem drijven. Echter, andere gemeenschappen hebben hybride benaderingen ontwikkeld die de twee strategieën combineren.

Oranje land, Californië, die een leider is geworden op het gebied van grondwatersuppletie, zuivert zijn afvalwater zodat het schoon genoeg is om te drinken – en pompt dit sterk gezuiverde gerecyclede water vervolgens in verspreidingsbassins om de ondergrondse watervoerende laag van de regio aan te vullen. Dit is analoog aan het opvangen van regenwater in die zin dat het water terug sijpelt in ondergrondse opslagbanken, behalve dat de waterbron gezuiverd afvalwater is in plaats van regen of gesmolten sneeuw.

Geïnspireerd door leiders op het gebied van hergebruik van water, zoals Orange County, de onderzoekers van Stanford creëerden AquaCharge om andere lokale autoriteiten te helpen bij het vergelijken van de afwegingen tussen verschillende ontwerpen om het meest kosteneffectieve systeem in hun regio te vinden.

De software kijkt naar factoren zoals de beschikbaarheid van spreidbekkens en regenwatervoorraden, het potentieel om gerecycled water te produceren en opties voor het installeren van gerecyclede waterleidingen.

"Onze methode stelt je niet alleen in staat om na te denken over een nieuw soort hybride watersuppletiesysteem, "Zei Bradshaw. "Het helpt ook om te bepalen welk soort systeem de doelstellingen van een stad tegen de laagste kosten zal bereiken."

Luthy zei dat AquaCharge het gebruik en hergebruik van water aanzienlijk zou kunnen verbeteren. Californië, bijvoorbeeld, recyclet momenteel ongeveer 15 procent van het beschikbare gezuiverde afvalwater. De rijkswaterplanners willen dat bedrag tegen 2030 verdubbelen of verdrievoudigen.

Door gemeenschappen in staat te stellen complexe berekeningen te maken die de kosten en baten van hergebruikstrategieën onthullen, Luth zegt, "AquaCharge zou de staat kunnen helpen om dat doel te bereiken."