Het Smart Water Network

Naar een integrale oplossing

Het afgelopen jaar dook een groep studenten van de Universiteit Twente in de waterproblematiek van Kaapstad en omgeving, en ontwikkelde een model voor een integrale aanpak: het Smart Water Network.

De watercrisis in Kaapstad die Henk Donkers in het artikel 'Kaapstad & Day Zero' beschrijft, is een wicked problem, een complex plaats- en tijdgebonden probleem waarvoor niet één oplossing bestaat die de hele situatie verbetert. In Kaapstad moeten diverse sectoren in de samenleving structureel veranderen om de nijpende watersituatie van begin dit jaar te voorkomen. Sommige oplossingen werken elkaar tegen of leiden weer tot andere problemen. Zo kunnen boringen naar grondwater de natuurgebieden in de buurt schaden.

Met zeventien studenten van diverse disciplines aan de TU Twente hebben we vier maanden gewerkt aan een project om de watersituatie in de West-Kaap in beeld te brengen, deeloplossingen te bedenken en deze te integreren.

In kaart

Eerst brachten we in kaart hoe de situatie precies in elkaar steekt. Waar komt het water vandaan? Wie gebruiken er veel water en waar lekt veel weg? Hoeveel water wordt hergebruikt? We splitsten de watercyclus in bronnen, verdeling, gebruik en afvoer, en zochten per categorie naar tekortkomingen (figuur 1). De belangrijkste is natuurlijk dat Kaapstad bijna geheel afhankelijk is van water uit stuwmeren die gevuld worden door regen in de winter. Als het dan een aantal jaar uitzonderlijk droog is, zijn er nauwelijks alternatieven als grondwater of ontzilting. Een ander probleem is dat ongeveer 18 procent van het water weglekt voordat het kan worden gebruikt, en dat er amper water op grote schaal gerecycled wordt. Met GIS hebben we de verzamelde data in kaart gebracht (figuur 2).

Daarnaast hebben we alle spelers in beeld gebracht, zoals de nationale overheid, de gemeente, bedrijven, boeren en consumenten. De communicatie tussen deze groepen loopt regelmatig spaak, wat leidt tot inertie en gebrek aan samenwerking en ruimte biedt voor corruptie.

Onderliggende problemen

De waterproblematiek in Zuid-Afrika is alleen op te lossen als alle onderliggende problemen eerst worden aangepakt. Voor het zoeken naar oplossingen voor die sub-problemen vormden we zes groepen van twee of drie studenten met verschillende expertises. We onderzochten diverse onderdelen van de watercyclus en bedachten strategieën om de deelproblemen te verminderen. Twee groepen richtten zich op het watergebruik in huishoudens en in de landbouw. Een groep bekeek de mogelijkheden van een grote ontziltingsinstallatie als nieuwe bron van schoon drinkwater. Een volgende groep boog zich over de effecten van het dumpen van grote hoeveelheden ongefilterd water in de oceaan en ging op zoek naar goedkope oplossingen. De vijfde keek naar de invloed van overheden en andere betrokken instanties, en de laatste groep onderzocht de mogelijkheden om een watercrisis te voorspellen.

Ontziltingssysteem

We onderzochten bijvoorbeeld diverse methoden voor ontzilting. Dit is een proces waarbij zouten en mineralen uit zout water worden gehaald waardoor zoetwater ontstaat dat geschikt is voor consumptie of voor gebruik in de landbouw. Daarna richtten we ons op het veelbelovende omgekeerde osmose ontziltingssysteem. We bekeken hoe deze technologie geïmplementeerd kan worden en wat er nodig is om het systeem te optimaliseren. Een groot nadeel is bijvoorbeeld dat ontziltingstechnologieën energie-intensief zijn en daarom alleen als crisisoplossing ingezet worden. Maar met gebruik van groene energie hebben ontziltingsinstallaties potentie voor de lange termijn.

Precisielandbouw

Een ander deelonderzoek richtte zich op de aanpak van water- verspilling in de landbouwsector. Volgens cijfers van de Zuid-Afrikaanse overheid is de oogst van maïs – een belangrijk export-product – door de langdurige droogte met bijna een kwart verminderd. We zochten uit wat de huidige problemen zijn binnen de landbouwsector en waardoor die zijn veroorzaakt. We ontdekten dat er veel water te besparen valt door het gebruik van precisielandbouwtechnieken zoals sensoren en automatische sproeisystemen. De voornaamste barrières voor adoptie zijn van sociale en financiële aard. Waarschijnlijk kennen veel boeren de voordelen niet, vinden ze de financiële investering te groot en denken ze op basis van eigen intuïtie betere beslissingen te kunnen nemen dan met technische hulpmiddelen. Wat Zuid-Afrika nodig heeft, is goede voorlichting over de voordelen van diverse precisielandbouwtechnieken, zoals tijd- en kostenbesparing en hogere oogstopbrengsten. Ook zou er een lokaal platform moeten komen waar de boeren terecht kunnen met vragen of voor hulp bij grote investeringen.

Integratie

Om het totale wicked problem te kunnen tackelen, is het zaak alle deeloplossingen te combineren en te integreren. We denken daarbij aan het vormen van een slim waternetwerk (geïnspireerd op de SWAN Interactive Architecture Tool): een netwerk van waterinfrastructuur, -bronnen en -gebruikers die op elkaar afstemmen en daarmee het beschikbare water efficiënter gebruiken. Hierbij staat de uitwisseling van data over watergebruik en -productie centraal. De deeloplossingen van de onderzoeksgroepen hebben hierin allemaal hun rol (figuur 3).

Een goede voorspelling van de beschikbare hoeveelheid water én communicatie daarover zijn van belang om effectief strengere beperkingen in het watergebruik te kunnen opleggen en tijdig extra water aan te maken via het omgekeerde osmose ontziltingssysteem.

Vervolgens moet het schaarse water efficiënt gebruikt worden. Daarom zijn onder andere de precisielandbouw en maatregelen voor vermindering van het stedelijk watergebruik belangrijk. Hierdoor kunnen de landbouw en huishoudens, allebei grootverbruikers, met minder water toe en afvalwater hergebruiken. Zuivering en hergebruik van water vormen het laatste onderdeel van het systeem. Als de waterzuivering goed is, kan er meer water worden hergebruikt en is er dus minder nieuw water nodig. Ook is het beter voor het milieu, omdat er minder vuil water wordt geloosd.

De overheid, de manier van werken en de beoordeling van mogelijke oplossingen spelen ook een rol in het systeem. Zo moet de overheid voorbereid zijn op nieuwe technologieën en oplossingen. Wanneer ze klaar is voor de implementatie van nieuwe technologieën, zal ze eerder kiezen voor lange termijnoplossingen en zullen er minder crisisoplossingen nodig zijn. Wij gebruikten de Government Assessment Tool (GAT) om te bepalen in hoeverre de overheid gereed is voor de implementatie van ontziltingsinstallaties.

Het belangrijkste verschil tussen het slimme waternetwerk en de losse deeloplossingen is de constante uitwisseling van informatie. Deze is nodig om alle processen, bijvoorbeeld watergebruik en waterzuivering, op elkaar af te stemmen voor een efficiënter verloop. Een voorbeeld: als het slimme waternetwerk ‘weet’ dat er gerecycled (grijs) water uit huizen beschikbaar zal zijn, kan de landbouw dat gebruiken in plaats van schoon water.

Inspiratie

Ons project heeft geresulteerd in een website (www.smartwatercycle.com) met uitleg over onze aanpak en de manier waarop we tot bepaalde oplossingen zijn gekomen. We hopen dat dit een inspiratie kan zijn voor andere landen en gebieden die met watertekorten te maken hebben. De geschetste problemen in Zuid-Afrika spelen immers ook elders, zij het dat ze daar nog niet zo uit de hand gelopen zijn.