Onderzoek afvalwatertransportsystemen in stedelijk gebied

Water/Bodem
Klimaat 
‹ Terug naar overzicht
Geplaatst op:
Onderzoek naar hoe stedelijke afvalwatertransportsystemen (ATS) in de praktijk functioneren, krijgt de laatste jaren steeds meer aandacht. Dit komt door de hedendaagse stedelijke uitdagingen zoals klimaatadaptatie, de circulaire economie en energietransitie. Deze opgaven leiden namelijk tot aanpassingen aan de traditionele infrastructuur en de aanleg van ‘nieuwe’ systemen.

Zo worden vele klimaatadaptieve voorzieningen gerealiseerd om hemelwater op alternatieve manieren te verwerken. Deze voorzieningen minimaliseren of voorkomen hittestress, waterover- en onderlast, en ze helpen de biodiversiteit in de stad te vergroten. Het is echter niet bekend hoe deze ‘nieuwe’ systemen in de praktijk presteren en hoe ze duurzaam het gewenste prestatieniveau kunnen behouden. Monitoring en onderzoek naar het functioneren in de praktijk is van groot belang om juiste keuzes te maken voordat tot grootschalige uitrol wordt overgegaan. In dit artikel leggen we uit hoe Waternet klimaatadaptieve voorzieningen in Amsterdam meet en monitort en welke resultaten en inzichten dit heeft opgeleverd. 

Opzet onderzoek

Elke onderzoekslocatie en elk systeem behoeft een specifieke onderzoeksopzet, afhankelijk van het doel waarvoor de voorziening is aangelegd. Globaal gesteld is men geïnteresseerd of het systeem doet waarvoor het is bedacht en in hoeverre het bijdraagt aan het klimaatadaptief maken van de stad. Het doel van het gekozen systeem moet daarom van tevoren bekend zijn en ook wat de beoogde bijdrage zal zijn. Hieraan kan later getoetst worden. Door de waterbalans inzichtelijk te maken, wordt de bijdrage van het totale systeem zichtbaar. Maar ook kan je inzoomen op het functioneren van een specifiek object van het totale systeem of op de invloed van het systeem op de omgeving. De meetresultaten kunnen aanleiding geven om het ontwerp en hydraulische rekenmodellen aan te passen. Als aanpassingen worden doorgevoerd toets je het resultaat daarvan naderhand weer in de praktijk. 

Meten en monitoren

Het wordt steeds makkelijker om met sensoren langdurig metingen te verrichten. Met de juiste sensor, meetfrequentie en communicatietechniek kun je het functioneren van het systeem in de praktijk semi realtime inzichtelijk maken. Met de verschillende IoT (Internet of Things) communicatienetwerken die nu in opkomst zijn kun je de data-overdracht realiseren, met een laag energieverbruik en tegen lage kosten. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat NB-IoT op uiteenlopende en ook ondergrondse locaties een betrouwbare verbinding houdt. Op basis van deze resultaten is een eigen meetmodule ontwikkeld waarop, afhankelijk van de onderzoeksvraag, verschillende type sensoren kunnen worden aangesloten. Momenteel beschikt Waternet over niveau- en temperatuursensoren en debiet- en regenmeters. Deze sturen iedere 20 minuten meetdata naar het online IoT-portaal, ongeacht het meetinterval. Vanuit het IoT-portaal kunnen de meetresultaten ontsloten worden om bijvoorbeeld de gegevens in een dashboard semi-realtime te visualiseren. De visualisatie en analyse van de meetgegevens maken inzichtelijk hoe het desbetreffende object of systeem in de praktijk en over een langere periode functioneert. Waternet kan het dashboard delen met meerdere partners, zodat die tijdens een neerslaggebeurtenis de prestatie van het systeem in de praktijk kunnen volgen. 

Full-scale infiltratieproeven

Behalve meten en monitoren over een langere periode zijn ook full-scale infiltratieproeven nuttig. De gehele infiltratievoorziening, of een zo groot mogelijk deel daarvan, wordt daarbij beproefd. Dat gebeurt door het systeem gedoseerd te belasten met een middels een debietmeter gemeten hoeveelheid water. Dat levert een zo representatief mogelijke waarde voor de infiltratiesnelheid van het totale systeem op. In de literatuur staat deze onderzoeksmethode bekend als ‘full-scale infiltration testing’. Een full-scale infiltratieproef is een momentopname onder de aanwezige omstandigheden, maar maakt het mogelijk iets te zeggen over het functioneren van het systeem onder maatgevende belasting. Ook kunnen we middels full-scale proeven de meet- en monitorresultaten valideren.

Resultaten onderzoek

De afgelopen jaren hebben we tien systemen onderzocht volgens de beschreven methode. De onderzoeken hebben een aantal generieke inzichten opgeleverd. Let wel: omdat we met een vergrootglas naar het systeem kijken, valt er altijd wel íets op te merken. Dat hoeft niet te betekenen dat het totaalresultaat slecht is.
Met welk doel een voorziening wordt aangelegd, is van tevoren niet altijd duidelijk vastgelegd. Een systeem kan meerdere klimaatadaptieve doelen tegelijkertijd nastreven (wateroverlast voorkomen, wateronderlast en hittestress tegengaan). Maar verschillende doelen kunnen tot conflicterende ontwerpkeuzes leiden. Bijvoorbeeld: hemelwater maximaal vasthouden ten behoeve van verdamping terwijl tegelijkertijd voldoende berging beschikbaar moet zijn om intensieve regenbuien op te vangen. We adviseren daarom in de ontwerpfase duidelijke functionele eisen op te stellen. Zoals de maximale tijd waarbinnen de voorziening leeg moet zijn, maar ook een minimale vertraging van hemelwaterafvoer. Door kwantitatieve eisen te stellen is het mogelijk om de prestatie van de voorziening te monitoren en op basis daarvan beheermaatregelen uit te voeren.

Ontwerp in relatie tot aanleg

Steeds vaker worden systemen ontworpen die verschillende voorzieningen combineren. Ze verdelen afstromend hemelwater op basis van de neerslagintensiteit over verschillende objecten met verschillende functies, zoals bufferen, infiltreren, verdampen of afvoeren via het hemelwaterstelsel. Deze ontwerpen vereisen een nauwgezette uitvoering. Alle verbindingen en overstorten moeten op het juiste niveau worden aangelegd. Maar in de praktijk blijken dergelijke voorzieningen bij de aanleg vragen op te roepen. Dat heeft tot gevolg dat voorzieningen verkeerd worden aangelegd en de werking na oplevering onduidelijk is. Daarnaast kan het falen van één object gevolgen hebben voor het functioneren van het hele systeem. Of veroorzaakt een latere wijziging van het aangesloten verhard oppervlak dat het ondergrondse systeem niet meer goed kan functioneren. Daarom adviseren we om in het ontwerp een goede balans te bewaren tussen complexiteit en robuustheid van het systeem. Tijdens de aanleg moet er ook aandacht blijven voor de beoogde werking van het systeem.

Functioneren in de praktijk

Hoe (goed) voorzieningen in de praktijk functioneren wordt in grote mate beïnvloed door keuzes in de ontwerp-, aanleg- en onderhoudsfase. De kengetallen van de onderzoeksresultaten zijn daarmee niet altijd representatief voor toekomstige toepassingen van dat systeem, aangezien de potentie op de onderzoekslocaties soms niet geheel naar voren komt. In dergelijke gevallen is het daarom belangrijk het systeem direct aan te passen. Anders heeft het systeem geen of beperkte waarde in het klimaatadaptief maken van de stad en kan de voorziening zelfs een tegengesteld effect veroorzaken. Het onderzoek kan zich vervolgens richten op het functioneren van het totale systeem of object over de tijd en op mogelijke onderhoudsconcepten.

Een kleine greep resultaten uit de tien uitgevoerde onderzoeken:

  • Negen van de tien onderzoeken tonen aan dat het functioneren in de praktijk anders is dan vooraf werd verwacht.
  • Laboratoriumonderzoek geeft een ander beeld van het werkelijke praktijkrendement. Uit praktijkonderzoek naar waterpassende verharding bleek, op die locatie en met dat product/systeem, dat het infiltratierendement ca. 18 procent van het laboratoriumonderzoek betrof. De leverancier voert vervolgonderzoek uit om het product en aanlegvoorschriften te verbeteren.
  • Op meerdere locaties is aangetoond dat tijdens de aanlegwerkzaamheden keuzes worden gemaakt die het systeem niet ten goede komen. Twee voorbeelden: op één onderzoekslocatie is een gat geboord in een slokop, ver onder de gewenste overstorthoogte. Op een andere locatie is tijdens de realisatie het buffersysteem hoger geplaatst dan de overstort. In beide gevallen kan de potentieel aanwezige berging niet volledig worden benut.
  • Op twee locaties is het systeem dermate slecht ontworpen of aangelegd dat het systeem in de praktijk nagenoeg niet in werking kan treden. Bij één systeem, bestaande uit meerdere objecten, komt gedurende een half jaar meten en monitoren geen druppel water het systeem in.
  • Het infiltratierendement is sterk afhankelijk van de locatie (dicht stedelijk gebied, dorp, nauwe straat zonder zonlicht op de straat, grote straat met veel bomen, grondwaterstand, drainage, etc.). Ook een belangrijke factor is het gebruik van de omgeving van de locatie (hoe schoon laat de gebruiker de weg achter). Tijdens het praktijkonderzoek naar een waterdoorlatende klinker bleek dat in dicht stedelijk gebied het infiltratierendement van het totale systeem ca. 300 mm/uur bedraagt terwijl hetzelfde systeem op een locatie buiten de stad ca. 1700 mm/uur kan verwerken. 
  • Verandering van (het gebruik van) de omgeving kan nadelige effecten hebben op het functioneren van het systeem. Uit een onderzoek naar het functioneren van een infiltratieveld bleek dat het vanwege veiligheidsissues nodig was het materiaal in de buffervoorziening te vervangen door een ander materiaal. Door het andere materiaal werd de bufferruimte verkleind. Het onderzoek naar het functioneren in de praktijk wees uit dat de buffer van dit systeem het verschil maakte. Nu de capaciteit van de bufferruimte kleiner is geworden, kan de vraag worden gesteld of dit systeem nog bijdraagt aan het doel waarvoor het is aangelegd.  
  • De robuustheid van ‘nieuwe’ systemen is minder dan die van conventionele systemen. Bij één systeem (zeer vermoedelijk twee) toonde het onderzoek aan dat het onderdeel dat water vast moet houden voor in droge periodes (droogte/hittestress), in de praktijk geen water vasthoudt. 

In het groeidocument ‘Kennisdocument hemelwaterverwerkende voorzieningen’ zijn alle onderzoeken en resultaten op een eenduidige manier uitgewerkt. Waternet zorgt twee keer per jaar voor een update van dit kennisdocument zodat ook de nieuwste resultaten voor iedereen beschikbaar zijn via www.rainproof.nl/infiltratievoorzieningen-hoe-functioneren-ze.

Rekenmodellen verfijnen

Onderzoek naar functioneren in de praktijk kan steeds eenvoudiger. Langdurig monitoren met sensoren geeft een betrouwbaar beeld tijdens praktijkomstandigheden en het verloop van het functioneren over langere tijd. Inzicht en visualisatie door middel van dashboards helpen stakeholders van de verschillende disciplines de systemen te begrijpen. Aanvullende full-scale infiltratieproeven zijn weliswaar een momentopname, maar toch uitermate geschikt om de werking van een systeem te toetsen onder maatgevende belasting. Er is vaak geen goede functiebeschrijving aanwezig waaraan het ‘nieuwe’ systeem moet voldoen. Daarom adviseren we om voorafgaand aan een onderzoek toetscriteria vast te stellen.
Systemen worden meestal maar voor één toekomstige uitdaging optimaal ontworpen. Het is raadzaam om vooraf keuzes te maken welke bijdrage het urgentst is en daarop de ‘nieuwe’ voorziening te ontwerpen. De ‘nieuwe’ systemen blijken in de stedelijke omgeving minder robuust en vragen meestal meer (en ander) onderhoud in de gebruiksfase. Het is van groot belang om de kennis en kengetallen te delen en toe te passen in de hele keten (van ontwerp tot aanleg en beheer) om tot succesvolle systemen te komen. Na onderzoek is pas bekend hoe een systeem in de praktijk functioneert. Indien aangetoond wordt dat het systeem anders functioneert dan gewenst en als de oorzaak daarvan bekend is, dan is het zaak dit ook gelijk te verhelpen/repareren. De onderzoeksresultaten leiden tot kengetallen die worden gebruikt om de hydraulische rekenmodellen te verbeteren en inzicht te krijgen hoe ‘Rainproof’ of klimaatadapatief de stad is.

Mark Nijman en Maikel Votel zijn beiden onderzoeker stedelijk water, infra en transport bij Waternet.

Dit artikel is eerder gepubliceerd in Land+Water 4-2022. Nog geen abonnee? Klik hier!