Optimaal ontwerp van robuuste en toekomstbestendige streefstructuren

Dit project heeft als doel het beantwoorden van de volgende vragen:

1. Hoe kunnen de ontwerpers van een streefstructuur  de onzekerheid rondom de watervraag in aanmerking  nemen?
2. Hoe kunnen onderzoekers prestatie-indicatoren door middel van een waarschijnlijkheidsdistributie uitdrukken?
3. Hoe kunnen numerieke optimalisatietechnieken behulpzaam zijn bij  het optimaal ontwerp van een streefstructuur, rekening houdend met de voorgaande aspecten?

Onzekerheid watervraag en het ontwerp van streefstructuren

Het ontwerp van streefstructuren is een actueel onderwerp in de watersector. Drinkwaterbedrijven zijn bezig met het (proactief) saneren van hun leidingnetten. Het huidige ontwerpproces (zowel in de praktijk als in onderzoek) besteedt beperkt, of met onvoldoende detail, aandacht  aan de onzekerheid rondom de huidige en toekomstige watervraag. De watervraag is echter een van de grootste en invloedrijkste onzekerheden bij het ontwerp van een leidingnet. De resulterende toename of afname in waterverbruik kan grote gevolgen hebben voor transport- en distributienetten. Vanwege de lange levensduur van een drinkwaterleiding is het daarom van groot belang een robuust en toekomstbestendig net aan te leggen: een leidingnet dat veranderingen in de watervraag aankan, en waarvan de prestatie zo goed mogelijk blijft.

Dit houdt in dat onderzoekers  in de ontwerpfase rekening houden met de mogelijke veranderingen in de watervraag (zowel patronen als piekfactoren) en de eisen die de onzekerheid in de kennis daarover stelt aan het ontwerp van het net. Dit betekent dat bij de verschillende prestatie-indicatoren (output parameters die worden uitgerekend per scenario, bijvoorbeeld verblijftijd, drukgradiënt, kosten) en randvoorwaarden die onderdeel uitmaken van het ontwerpproces niet alleen rekening moet worden gehouden met de verwachte watervraag,of piekfactor, maar expliciet ook met de bijbehorende onzekerheid die van toepassing is. Randvoorwaarden zijn de concrete eisen die je kunt stellen  aan het ontwerp, dat wil zeggen: boven- en ondergrenzen op prestatie-indicatoren die gebruikers kunnen invullen. Denk bijvoorbeeld aan minimale druk op knopen hoger dan 300 kPa.

Watervraagscenario’s en het inzetten van numerieke optimalisatietechnieken

Het expliciet in aanmerking nemen van de onzekerheid rondom de watervraag betekent dat onderzoekers niet één, maar meerdere watervraagscenario’s in aanmerking nemen  in het optimalisatieprobleem. Als resultaat daarvan kunnen zij de prestatie-indicatoren door middel van een waarschijnlijkheidsdistributie weergegeven. Een dergelijke benadering vergt het uitrekenen van een groot aantal scenario’s en ontwerpen en wordt daarom in een handmatige aanpak snel onhandelbaar. Numerieke optimalisatietechnieken zoals geïmplementeerd in Gondwana bieden hierin de helpende hand.  Een casestudy illustreert deze benadering.

Robuust ontwerp

Aan het einde van dit onderzoeksproject is een methodiek ontwikkeld om de onzekerheid in de watervraag expliciet mee te nemen in het ontwerp van streefstructuren, zodanig dat de invloed daarvan op verschillende relevante prestatie-indicatoren inzichtelijk is. Deze methodiek werken de onderzoekers uit  in de tool Gondwana. Zo krijgen  drinkwaterbedrijven een methode en een tool om (1) de robuustheid van de huidige structuur te toetsen tegenover verschillende mogelijke uitkomsten van de watervraag en (2) toekomstbestendige ontwerpen voor streefstructuren te maken, waarin de robuustheid van het ontwerp (tegenover een onzekere watervraag) bekend is. Zo kunnen drinkwaterbedrijven gevoelige gebieden in de huidige leidingnetwerken identificeren en toekomstbestendige streefstructuren ontwerpen om de saneringsgolf maximaal te benutten.