Development of decision-support systems for water reuse and water-loss reduction: holistic and systemic approach for resilience promotion in the context of integrated water resources

Abstract

Many water systems worldwide are experiencing water stress in terms of water quantity and quality due to a range of influences, leading to potential adverse effects if no adequate response is implemented. The complexity and variety of technologies and their combinations, as well as social, economic, and environmental constraints, often make it complex for stakeholders and es-pecially decision makers to elicit relevant information about resilient systems. Water is a vital resource, and a real need exists for action in many regions that might face deficits between water demand and supply as well as water quality issues; this need is especially pronounced in fast-developing countries. A wide range of solutions with potential positive impacts is available to decision makers and other stakeholder involved, but implementing measures sustainably is often extremely challenging in a world with an uncertain future. Plenty of knowledge, technology, success stories, and qualified experts are available, and several decision-support systems (DSSs) exist, but such systems are usually targeted for specialists, and an integrated and simplified approach remains unavailable. This thesis investigates two primary hypotheses. The first main hypothesis is that there exists a lack of managerial tools to assist and support the decision-making processes involved in the selection and planning of water-reuse systems and water-loss reduction systems. The second main hypothesis posits that the complexity involved in such decisions may be streamlined with the development of universal and comprehensive DSSs understandable by a wide range of potential users in order to support the selection of options and promote their implementation. For water reuse, this study aims to develop a DSS (i.e., Poseidon) that supports prefeasibility studies and promotes water reuse and capacity development in the field. The developed tool currently encompasses 37 unit processes combined into 70 benchmark treatment trains (combinations of unit processes). It also contains information on water quality standards and typical wastewater qualities. It estimates removal performances for 12 parameters, along with lifecycle costs, including distribution. The tool and all underlying data are open access and under continuous development. The underlying systemic approach of the tool allows intuitive operation even for users with limited prior knowledge in the field to identify most adequate solutions based on a multi-criteria assessment. This accessibility should help to promote water reuse and spearhead initiatives for more detailed feasibility and design commissioning for the implementation of water-reuse schemes. For water-loss reduction, the study aims to develop an implementation-support tool (i.e., Water Utility Compass) for water utilities. The tool allows a user to assess systematically a water distribution system, calculating a water balance and performance indicators according to International Water Association (IWA) guidelines including data error calculation, defining priority are-as, and developing action plans based on predefined measures. Both tools have been successfully applied to several case studies in Vietnam and Lithuania and have been integrated in capacity-building activities. The open-access publication of the tools and underlying data represents a main contribution to the field of integrated water management. For water reuse, it is possible to proceed to a complex assessment by specifying only three inputs of information (quantity and quality of wastewater to be reused, intended reuse) leading to the identification of highest-ranking options and the calculation of all relevant parameters. For water-loss reduction, Water Utility Compass is the only solution offering an applied holistic approach considering baseline data, situational analysis, and action planning in a single open-access DSS. The tools should also lead to the implementation of the options they identify. Both tools are only basic instruments that should be accompanied by capacity development and other policies or economic incentives in order to enhance the resilience of water systems. This thesis demonstrates that for any water system, technical and managerial solutions are available to make that system more resilient, even if those available solutions might not always be economically, socially or environmentally sound. Decision-support systems can be a tool to pro-mote water reuse and water-loss reduction, but they are insufficient for successful implementation, and the willingness of local stakeholders is a prerequisite for the sustainable management of water resources.

Πολλά συστήματα ύδρευσης σε όλο τον κόσμο υφίστανται πίεση σε ότι αφορά την ποσότητα και την ποιότητα του νερού λόγω μίας πληθώρας παραγόντων, οι οποίοι θα οδηγήσουν σε πιθανές παρενέργειες εάν δεν ληφθούν επαρκή μέτρα αντιμετώπισης. Η πολυπλοκότητα και η ποικιλία τεχνολογιών και οι συνδυασμοί τους, όπως και κοινωνικοί, οικονομικοί και περιβαλλοντικοί περιορισμοί, συχνά δυσχεραίνουν την άντληση σχετικών πληροφοριών για τα ανθεκτικά συστήματα από τα ενδιαφερόμενα μέρη και τους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων. Το νερό είναι ένας ζωτικός πόρος, και υπάρχει πραγματική ανάγκη για δράση σε πολλές περιοχές που ενδέχεται να αντιμετωπίσουν ελλείμματα μεταξύ της ζήτησης και της παροχής νερού, όπως και ζητήματα ποιότητας νερού. Η ανάγκη αυτή είναι ιδιαίτερα έντονη στις γρήγορα αναπτυσσόμενες χώρες. Ένα ευρύ φάσμα λύσεων με πιθανές θετικές επιδράσεις είναι διαθέσιμο στους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων και σε άλλα εμπλεκόμενα ενδιαφερόμενα μέρη, ωστόσο η βιώσιμη εφαρμογή των μέτρων αποτελεί συχνά μεγάλη πρόκληση σε ένα κόσμο με αβέβαιο μέλλον. Υπάρχει μεγάλη προσφορά γνώσης, τεχνολογίας, επιτυχών παραδειγμάτων και καταρτισμένων πραγματογνωμόνων, και υπάρχουν και πολλά συστήματα υποστήριξης της λήψης αποφάσεων (ΣΥΛΑ), ωστόσο τα συστήματα αυτά συνήθως απευθύνονται σε ειδικούς, ενώ δεν υφίσταται μία ολοκληρωμένη και απλουστευμένη προσέγγιση. Η παρούσα διατριβή διερευνά δύο πρωτογενείς υποθέσεις. Η πρώτη βασική υπόθεση είναι ότι υπάρχει έλλειψη διαχειριστικών μέσων για να συνδράμουν και να στηρίξουν τη διαδικασία λήψης αποφάσεων που εμπεριέχεται στην επιλογή και το σχεδιασμό συστημάτων επαναχρησιμοποίησης νερού και συστημάτων μείωσης της απώλειας νερού. Η δεύτερη βασική υπόθεση θεωρεί δεδομένο ότι η πολυπλοκότητα τέτοιων αποφάσεων μπορεί ενδεχομένως να μετριαστεί μέσω της ανάπτυξης καθολικών και ολοκληρωμένων ΣΥΛΑ, τα οποία θα γίνονται κατανοητά από ένα ευρύ φάσμα πιθανών χρηστών, προκειμένου να υποστηριχθεί η επιλογή λύσεων και να προωθηθεί η εφαρμογή τους. Σε ότι αφορά την επαναχρησιμοποίηση νερού, η παρούσα μελέτη στοχεύει στην ανάπτυξη ενός ΣΥΛΑ (π.χ. Poseidon) που θα στηρίζει τις μελέτες προκαταρκτικής σκοπιμότητας και θα προωθεί την επαναχρησιμοποίηση νερού και την ανάπτυξη των ικανοτήτων του τομέα. Επί του παρόντος, το εργαλείο που έχει αναπτυχθεί καλύπτει 37 βασικές διαδικασίες μονάδων που συνδυάζονται σε 70 βασικές ακολουθίες επεξεργασίας (συνδυασμούς διαδικασιών μονάδων). Περιέχει επίσης πληροφορίες για τα πρότυπα ποιότητας του νερού και τα τυπικά χαρακτηριστικά των λυμάτων. Υπολογίζει τις επιδόσεις αφαίρεσης ρύπων για 12 παραμέτρους, όπως και το κόστος κύκλου ζωής, συμπεριλαμβανομένης της διανομής. Το εργαλείο και όλα τα υποκείμενα στοιχεία του είναι ανοιχτής πρόσβασης και υπόκεινται σε συνεχή ανάπτυξη. Η υποκείμενη συστημική προσέγγιση του εργαλείου επιτρέπει τη διαισθητική λειτουργία ακόμα και για χρήστες με περιορισμένη προηγούμενη γνώση του τομέα για την ταυτοποίηση/ προσδιορισμό των επαρκέστερων λύσεων βάσει αξιολόγησης πολλαπλών κριτηρίων. Η προσβασιμότητα αυτή θα πρέπει να βοηθήσει την προώθηση της επαναχρησιμοποίησης νερού και να ηγηθεί πρωτοβουλιών για πιο αναλυτική μελέτη σκοπιμότητα και ανάθεση σχεδιασμού με σκοπό την εφαρμογή των σχεδίων επαναχρησιμοποίησης νερού. Σε ότι αφορά τη μείωση της απώλειας νερού, η μελέτη αποσκοπεί στην ανάπτυξη ενός εργαλείου εφαρμογής & στήριξης (π.χ. Η Πυξίδα Χρήσης Νερού) για επιχειρήσεις υδροδότησης. Το εργαλείο επιτρέπει στο χρήστη τη συστηματική πρόσβαση σε ένα σύστημα υδροδότησης, υπολογίζοντας το υδατικό ισοζύγιο και τους δείκτες απόδοσης βάσει των οδηγιών της Διεθνούς Οργάνωσης Ύδατος (IWA) που περιλαμβάνουν τον υπολογισμό σφαλμάτων, τον καθορισμό των τομέων προτεραιότητας και την κατάρτιση σχεδίων δράσης βάσει προκαθορισμένων μέτρων. Και τα δύο αυτά εργαλεία έχουν εφαρμοστεί επιτυχώς σε πολλές περιπτωσιολογικές μελέτες στο Βιετνάμ και τη Λιθουανία και έχουν ενσωματωθεί σε δραστηριότητες ανάπτυξης δυναμικού. Η δημοσίευση των εργαλείων με ανοιχτή πρόσβαση και τα υποκείμενα στοιχεία συνιστούν μία βασική συνεισφορά στον τομέα της ολοκληρωμένης διαχείρισης ύδατος. Ως προς την επαναχρησιμοποίηση ύδατος, είναι εφικτή η σύνθετη αξιολόγηση μέσω του προσδιορισμού τριών μόνο πληροφοριακών στοιχείων (ποσότητα και ποιότητα των λυμάτων που θα επαναχρησιμοποιηθούν, σκοπούμενη επαναχρησιμοποίηση) η οποία θα οδηγεί στον προσδιορισμό των επιλογών με τους υψηλότερους δείκτες καταλληλότητας και στον υπολογισμό όλων των σχετικών παραμέτρων. Ως προς τη μείωση της απώλειας νερού, η Πυξίδα Χρήσης Νερού είναι η μόνη λύση που παρέχει μία εφαρμοσμένη ολιστική προσέγγιση λαμβάνοντας υπόψη βασικά στοιχεία αναφοράς, αναλύσεις καταστάσεων και σχεδιασμό ενεργειών σε ένα ενιαίο ΣΥΛΑ ανοιχτής πρόσβασης. Τα εργαλεία θα πρέπει επίσης να οδηγούν στην υλοποίηση των επιλογών στις οποίες κατέληξαν. Αμφότερα τα εργαλεία είναι μόνο βασικά όργανα που θα πρέπει να συνοδεύονται από την ανάπτυξη ικανοτήτων και άλλες πολιτικές ή οικονομικά κίνητρα προκειμένου να ενισχυθεί η αντοχή των υδατικών συστημάτων. Η παρούσα διατριβή καταδεικνύει ότι για οποιοδήποτε υδατικό σύστημα υπάρχουν διαθέσιμες τεχνικές και διαχειριστικές λύσεις για να καταστεί αυτό πιο ανθεκτικό, ακόμα και αν αυτές οι διαθέσιμες λύσεις δεν είναι πάντα οικονομικά, κοινωνικά ή περιβαλλοντικά συμφέρουσες. Τα συστήματα υποστήριξης λήψης αποφάσεων μπορούν να αποτελέσουν εργαλείο για την προώθηση της επαναχρησιμοποίησης νερού και τη μείωση της απώλειας νερού, ωστόσο είναι ανεπαρκή σε ότι αφορά την επιτυχή υλοποίηση των έργων, με την προθυμία των τοπικών ενδιαφερομένων μερών να αποτελεί προϋπόθεση για τη βιώσιμη διαχείριση των υδάτινων πόρων.