van
Reeds zijn in onderstaande volgorde in boekvorm verschenen de voordrachten van de volgende cursussen: 1. Filtratie, 2. Vervaardiging van buizen voor transport- en distributieleidingen, 3. Winning van grondwater, 4. Waterzuivering, 5. Hygienische aspecten van de drinkwatervoorziening, 6. Het transport en de distributie van leidingwater, 7. Keuze, aantasting en bescherming van materialen voor koud- en warmwaterleidingen, 8, 9 en 10. Enige wetenschappelijke grondslagen der waterleidingtechniek I, II en III, 11 Radioactiviteit, 12. Het grondwater, 13. De Rijn, 14. Nieuwe ontwikkeling in de waterleidingtechniek op fysisch, chemisch en biologisch gebied, 15. De watervoorziening en de industrie, 16. Gebruik van moderne statistische methoden, 17. Kunstmatige infiltratie, 18. De biologie van de watervoorziening, 19. Snelfiltratie, 20. Physische technologie van de waterzuivering, 21. Van goed naar beter water.
Woord vOOraf
Graag geef ik gevolg aan het verzoek van de voorzitter van uw Commissie deze 22e vakantiecursus voor Drinkwatervoorzieningte openen. Voor veel ingenieursfuncties is het noodzakelijk een breed overzicht te hebben van de mogelijkheden die wetenschap en techniek bieden voor het eigen vakgebied. De snelle ontwikkeling van wetenschap en techniek maakt dat men zich hiervan voortdurend op de hoogte zal moeten blijven stellen. Cursussen als deze bieden hiertoe een uitstekende gelegenheid. De onderwerpen die in de afgelopen jaren aan de orde zijn geweest bieden een zeer gevarieerd beeld, waarmee ik de cornmissie graag wil complimenteren. Post-doctoraal onderwijs in velerlei vorm zal in toenemende mate een plaats gaan innemen, zowel in de vorm van orienterings- en refreshment-cursussen, als in de vorm van systematische bijscholing en omscholing en het zal mede van invloed zijn op het onderwijs aan de Technische Hogeschool. U weet dat door de afdeling der Weg- en Waterbouwkunde reeds enkele jaren geleden is besloten tot een ingrijpende herziening van het studieprogramma die thans in de propaedeuse is doorgevoerd. Na de propaedeuse zal de studie voor civiel-ingenieur uiteenvallen in verschillende richtingen, waarbij men kan denken aan een functionele splitsing en aan een territoriale splitsing. Een functionele splitsing wil zeggen naar de taak van de ingenieur: zoals de onderzoeker of de constructeur, wat dus inhoudt een meer theoretische en een constructieve richting, terwijl t.z.t. ook aan een organisatorische richting zou kunnen worden gedacht. Bij de territoriale splitsing worden onderscheiden:
- de waterbouwkunde met de hydrologie - de planologie en de verkeerskunde met inbegrip van de wegbouw- en spoorwegbouwkunde - de civiele bouwkunde en - de civiele gezondheidstechniek.
Voor u is in het bijzonder de richting civiele gezondheidstechniek van belang. Uw toekomstige cotlega's zullen voor een belangrijk deel uit deze studierichting voortkomen. Maar op het terrein van de civiele gezondheidstechniek zal ook door anderen worden gewerkt: de onderzoeker, de constructeur, de hydroloog, de bouwtechnicus. Er zal eers zekere taakverdeling gaan optreden, waarbij de vraag rijst: ,,wie doet wat". Wie verricht in het algemeen een hydrologisch onderzoek, of wie bouwt er nu straks die watertoren of reinwaterkelder? Als op elk gebied van de techniek zal slechts in samenwerkingsverband iets tot stand kunnen worden gebracht. Een bezinning op de taak van degenen die in de richting civiele gezondheidstechniek zullen afstuderen en daarmee op de vraag welke kennis en vaardigheden men hen zou willen bijbrengen, lijkt op zijn plaats. De voorgenomen splitsing maakt het mogelijk reeds bij de kandidaatsstudie in belangrijke mate de aandacht op het gekozen vakgebied te richten, terwijl in de eindstudie ruime mogelijkheden tot verdieping van de kennis aanwezig zijn, waarbij ook de medische, chemische en biologische aspecten van de gezondheidstechniek de aandacht krijgen. In de toekomst zal men ongetwijfeld een nauwe verwevenheid kunnen verwachten tussen dit eindonderwijs in de richting civiele gezondheidstechniek en het post-doctoraal onderwijs. Nieuw in te stellen colleges kunnen van belang zijn voor ingenieurs uit de praktijk. Anderzijds moet men in universitaire programma's niet streven naar volledigheid op de verschillende vakgebieden. Men kan beter de jonge mensen sneller laten afstuderen en voor zover men later daaraan de behoefte voelt post-doctoraal onderwijs te laten volgen. Als ik het goed heb komt de vakantiecursus Drinkwater de eer toe de eerste vorm van post-doctoraal onderwijs in de civiele techniek te zijn geweest. Uw wederom grote opkomst bewijst hoe zeer deze cursussen in de wereld van de civiele gezondheidstechniek van belang worden geacht en op prijs worden gesteld. Dat verheugt de afdeling der Weg- en Waterbouwkunde natuurlijk zeer. Ik wens de organisatoren ook met deze 22e cursus veel succes toe. De voorzitter van de afdeling der Weg- en Waterbouwkunde Prof. ir. A. L. Bouma
L. Huisman: Design for Installations of water Purification In the past, designing of a water supply installation was often an oneman job and was mostly done by intuition, water purification in particular being considered an art rather than a science. After the rapid technological changes of the past decades, this is no longer feasible with as consequence, that future designs have to be based on the latest scientific and technical developments and have to be prepared by a team of experts in the various fields. Such a procedure, however, is only possible after the design process itself has been separated in various components with a most important item: orientation and fact finding, analyses, shaping and growth of ideas, synthesis and finally scrutinumg and verification. With regard to the preparatory phases of the above mentioned process, fixing the design capacity in one of the most important aspects, as average value (lesson I), for peak consumption (lesson 2) and as reliable yield (lesson 3). Analysis of the problem on hand varies from one case to another. In lesson 4 and 5, the evalution of the relevent factors will be shown for a ground-water supply and for a surface water supply respectively. One of the crucial factors in the last phase concerns the cost price of the water delivered to the consumers. In lesson 6, the influence of the design on this price will he discussed.
C. VAN DER VEEN : Futural water consumption In order to build water supply units it is necessary to estimate the future demand. Once that is known a decision can be taken when and to what extend new units are to be built. Often extrapolation methods are applied in which a certain trend observed in the past is extended to the future. Mathematical formulae are used which coincide with the past and, it is hoped, predict the future. Such extrapolation methods often have appeared to be a too rough instrument. In this paper a method is proposed, based on econometric studies. Water demand is expressed as a function of a number of determinants such as: number of houses, number of cars iuld sanitary installations, growth of industry, etc. For each different determinant a relevant relation with water demand is determined from statistical data. The sum of all influences is compriced in a model that gives the total water demand. The influence of the price on the demand of water is taken into account. Also the technological possibilities to reuse water in industry. Such a model has the advantage that the factors influencing the water demand are made explicitly visible. They are subject to major policy decisions in the future. The model therefore serves less as an instrument to look into the future than as a guiding plan to shape the future. Only part of the police decisions, such as price and quality of the produced water, are in the hands of the water supply industry. As an example this method is used to estimate water demand in the Netherlands in 1980 and 2000. It is calculated that tpe 750 million m3 water supplied by Public Waterworks in 1967 will Increase with a factor 1,8 to 1360 million m3 in 1980 and with a factor 4 to 3000 million m3 in 2000. Further statistical research is necessary to increase the accuracy of the results. Even so the prediction for the year 2000 remams a guess.
K. D. VENHUIZEN: Variation in water consumption The study of the variation in water demand for domestic and industrial purposes is in fact the base to design the capacity of installations for recovery, purification, pumping and transport. The variation per hour, per day and per week is studied for the municipal waterworks of Amsterdam and calculations are carried out to determine the amount of reservoir capacity for a constant water production per day and per week. Of course the total costs of production of the water are a function of the necessary investments and of the running costs, which vary with this reservoir capacity and justify further investigations to a water supply based on week fluctuations in the reservoirs.
C. J. VAILLANT: Production capacity and reliability Although production capacity and reliability of water purification plants are strongly interacting factors, initially both factors have to be analysed seperately. Before one can evaluate the maximum production capacity of a given plant design, the capacity of each individual unit or subsystem must be determined on the basis of experience in the past (e.g. pilotplant) as a function of the working conditions (e.g.
temperature of the water) and the required water quality, withhout taking into account any important safety factor. Modem methods in the field of reliability engineering would enable the design engineer to determine theoretically the reliability of a designed plant in a quantitative way only if the probability distribution of the water consumption is given and all failure rates, as we1 as the capacities of the composing units and other components (e.g. valves) of the system are known. As in practice failure rates are not available and, therefore, must be estimated, a numerical prediction of the reliability of a plant will never give accurate values upon which a decision can be made. However, the applied theory may offer the opportunity to compare alternative designs which contain different numbers or sizes of units or have a different configuration of the units. On the basis of such a relative comparison, especially when a sensitivity analysis is executed by means of a computer, decisions can be made in a more objective way. The theoretical approach has also advantage that a better insight in the reliability problem is acquired. Some of these theoretical methods are described.
A. J. N. HORSTMEIER: The design abstracting and treatment of groundwater The program of requirements should be brought into harmony with what is possible. This is the task for waterengineer and architect. Requirements should be made about quantity, place, technics, social needs for operation team, esthetics and economics. These requirements should be detailed for each of the main parts of design: prise-d'eau, filterplant, storage, pumping capacity, level scheme. Mentioned are the modern ways of reconnaissance to find the right location for the prise-d'eau. Modem drilling and modern materials for well-construction are dealth with. Questions about aeration, open filters or pressure filters, multilayer-filters, e t ~ .should be answered by erecting an experimental installation. The way of operation: by hand or automatically, filters in the open air or in the main building is an economical problem. Storage : Reinforced concrete or steel. Pumps: horizontally or vertically ; conventional pumps or submersible pumps. Steps to meet the required quantities: electrically driven or engine driven, emergency power. Level scheme and time table.
TJ. HOFKER: Intake and treatment of sudacewater The character of a treatment plant for surface water is determined by the quality and the quantity of the available raw water on one side and the requirements related to the drinkimg water on the other side. The intake and treatmentpart consist of a number of unit operations. Separation of intake and treatment is rather difficult as purification is applied frequently in units belonging to the intake. Raw water can be stored, if necessary, in open reservoirs or in closed systems, in combination with infiltration. Storage in open reservoirs is able to receive a wide spectrum of raw water qualities. A disadvantage in comparison with closed storage is the absence of equalisation of the watertemperature. The history of the Rotterdam waterworks shows a number of systems of waterpurification, successively adapted to the deteriorating quality of the raw water withdrawn from the river Rhine. The biological as well as the chemical purification systems are of current interest, provided the raw water i s suitable. The efficient design of units of a purification plant is also of great importance. In this case, principal attention has been paid to the use of chemicals, sedimentation and rapid filtration.
P. L. KNOPPERT: Costs of construction of water treatment plants An investigation has been done on the relation between the designfactors and the costs of construction and operation of water treatment plants. 1. A clear relation has been found between the plant size and the construction costs of conventional surfacewater treatment plants and of groundwater treatment plants. 2. There is a same kind of relation between the size of man-made pumped storage reservoirs and the construction costs. 3. The most economic way of power supply is evaluated, regarding also the security. 4. Importance profit and costs of automation is described. 5. Some examples are given of the influence of different ways of amortisation on the cost price of the water.
PROF. IR. L. HUISMAN Technische Hogeschool Delft
Het ontwerpen van zuiveringsinstallaties algemene inleiding Deze 22e Vakantiecursus in Drinkwatervoorziening is gewijd aan het ontwerpen van installaties voor winning en zuivering van grond- en oppervlaktewater, ter voorziening van bevolking en industrie met drink- en gebruikswater. Nog altijd geschiedt dit ontwerpen veelal langs intu'itieve weg, op basis van de grote hoeveelheid statische vakkennis, waarover de betrokken ingenieur beschikt. De maatschappij van vandaag is echter niet meer statisch, doch toont een steeds toenemende dynamiek, waarbij enerzijds voortdurend nieuwe mogelijkheden worden geopend, en anderzijds voortdurend nieuwe eisen worden gesteld. Wat gisteren als laatste technische ontwikkeling werd begroet, is vandaag achterhaald en voldoet morgen niet meer aan de verlangens van een steeds veeleisender maatschappij. Een intu'itieve benadering van het ontwerpproces door CBn persoon is hiermede ontoereikend geworden en voor de toekomst zal dan ook tot rationalisering en tot werken in teamverband moeten worden overgegaan. Dit is echter eerst mogelijk als het ontwerpproces zelve in overzienbare componenten is ontleed. In deze inleiding zal daartoe een poging worden gedaan. Zeer in het kort kan ontwerpen worden omschreven als het proces, waarbij uitgaande van het programma van eisen de meest bevredigende vorm van de gezochte installatie wordt verkregen, waarmede in het onderhavige geval onder alle omstandigheden voldoende water van goede kwaliteit tegen een niet te hoge prijs kan worden geleverd. Hoe beknopt en onvolledig deze definitie ook is, toch kunnen hierin reeds de 3 essentiele componenten worden onderscheiden: a. de analyse, d.w.z. het nagaan van wensen en mogelijkheden, het verzamelen van eisen en gegevens; b. de synthese om wensen en mogelijkheden optimaal met elkaar in overeenstemming te brengen; c. de toetsing om met zekerheid te constateren dat het resultaat der synthese, het ontwerp, ook inderdaad zo goed mogelijk aan de te stellen eisen voldoen. Bij een wat verdergaande onderverdeling [1], wordt de analyse voorafgegaan door de processen van orientatie en voorbereiding en de synthese door die van ideevorming en rijping. De laatstgenoemde onderverdeling volgend, heeft de orientatie allereerst tot doel om na te gaan of er eigenlijk we1 een ontwerpprobleem is, of het niet mogelijk is dit vraagstuk geheel te elimineren. Bij uitbreiding van een oppervlaktewaterwinning bij voorbeeld, zouden ook nieuwe zuiveringsinstallaties moeten worden gebouwd, doch deze behoeven niet te worden ontworpen wanneer het extra benodigde water als oeverfiltraat wordt gewonnen of wellicht nog beter, wanneer het en gros van een naburig bedrijf wordt betrokken. Overigens dient deze fase om de principiele mogelijkheden voor de nieuwe watervoorziening na te gaan en voor zover niet direct op kwalitatieve, kwantitatieve of economische overwegingen verworpen, hiervoor
de beschikbare gegevens te verzamelen. Bij de voorbereidingsfase worden enerzijds de ontbrekende gegevens verzameld, zo nodig door eigen metingen, anderzijds het programma van eisen opgesteld. Voor waterzuiveringsinstallaties betreffen deze eisen primair de hoeveelheid en de hoedanigheid van het additioneel benodigde drinken gebruikswater. Kwaliteitseisen voor drinkwater behoeven intussen niet door de ontwerper zelf te worden opgesteld; dit is reeds voor hem gedaan in de vorm van de eisen van de Waterleidingwet, de aanbevelingen van de Vewin, de kwaliteitseisen voor drinkwater uit oppervlaktewater als neergelegd in Grondslagen Basisplannen no. 4, terwijl bij nog open gebleven vraagpunten, de kwaliteitseisen van de World Health Organization, van de United States Public Health Service en van vele andere instanties kunnen worden geraadpleegd. Voor de in de toekomst benodigde capaciteit is de ontwerper we1 geheel aansprakelijk en niemand kan deze verantwoordelijkheid van hem overnemen. Ir. van der Veen zal in zijn voordracht laten zien, hoe de toekomstige waterbehoeften systematisch kunnen worden geraamd, terwijl ir. Venhuizen op het in dit verband even belangrijke probleem van de variatie van het waterverbruik in samenhang met het bergingsvraagstuk zal ingaan. Onder de industriele produktiemiddelen kenmerken waterleidingbedrijven zich intnssen door de hoge bedrijhzekerheid. Ir. Vaillant zal aangeven welke eisen ten aanzien van het produktievermogen hieruit voortvloeien. Het programma van eisen betreft intussen niet alleen het kwantitatief en kwalitatief veilig leveringsvermogen, doch taI van andere aspecten moeten hierbij worden beschouwd. Afhankelijk van de omstandigheden kunnen dit zijn overwegingen van hydrologie, hydrografie en hydraulics, van constructie, bouwphysica, klimaatbeheersing en rationele uitvoering, van machinale, elektrische en elektronische installaties, van onderhoud en bediening, van economie en kostprijs, van aesthetica en architectuur en van nog vele andere. De heer Horstmeier zal laten zien hoe deze aspecten bij de winning en zuivering van grondwater moeten worden geevalueerd, terwijl ir. Hofker deze taak toevalt ten aanzien van de winning en zuivering van oppervlaktewater. Nimmer mag echter worden vergeten, dat door de stormachtige ontwikkeling van techniek en wetenschap op het gebied van de watervoorziening, niemand het gehele terrein meer kan overzien en voor een optimaal resultaat samenwerking van deskundigen noodzakelijk is. Reeds bij de voorbereidingsfase moeten deze deskundigen worden aangetrokken en ingeschakeld en bovenal doeltreffend worden begeleid om als team te kunnen functioneren. Het programma van eisen als resultaat van de voorbereidende fase is intussen alleen bruikbaar voor het eigenlijke ontwerpproces, wanneer het enerzijds volledig en uitputtend is en zich anderzijds beperkt tot eisen welke relevant zijn, zoveel mogelijk onafhankelijk van elkaar en teruggebracht tot de meest essentiele betekenis. Een nauwgezette formulering van deze eisen is tenslotte een
belangrijk hulpmiddel om persoonlijke voorkeuren te vermijden, om een objectieve probleemstelling te verkrijgen. Mits ook de intussen verzamelde gegevens van voldoende omgang en diepgang zijn, is het ontwerpprobleem nu in principe oplosbaar. Een intuitieve oplossing, op grond van vroeger opgedane ervaring, wordt ongetwijfeld bet snelst verkregen, is zeker bruikbaar, doch behoeft niet optimaal te zijn en zal waarschijnlijk de laatste ontwikkelingen op het gebied van techniek en wetenschap niet omvatten. Maar zekerheid van een optimale oplossing kan worden verkregen door een methodische analyse van eisen en gegevens, door het opsporen van relatiepatronen op grond waarvan het totale vraagstuk in een aantal zoveel mogelijk onafhankelijke deelproblemen kan worden gesplitst [2]. Mits deze deelproblemen niet te omvangrijk zijn, kunnen hiervoor gemakkelijk verschillende oplossingen worden aangegeven. Dat dit weer grotendeels intuitief geschiedt, langs de weg van ideevorming en rijping is eenvoudig niet te vermijden. Door het naast elkaar stellen van verschillende mogelijkheden, door een objectieve analyse van de daaraan verbonden voor- en nadelen, is het nu echter we1 mogelijk CCn of enkele oplossingen aan te geven welke optimaal aan het gestelde deelprobleem voldoen. De oplossing van het ontwerpprobleem als geheel is intussen niet de som van de oplossingen der deelproblemen. Sommige combinaties zullen immers elkaars nadelen versterken, andere elkaars voordelen en wederom moet een aantal mogelijkheden worden geanalyseerd. Pas na deze synthese kunnen de meest aantrekkelijke ontwerpen worden aangewezen en een definitieve keuze worden gemaakt. Vooral bij een watervoorziening van grotere omvang tenslotte, zal met de ontwerpprocedure langere tijd zijn gemoeid. In die
periode kunnen de feitelijke omstandigheden zich hebben gewijzigd en een toetsing van het uiteindelijk gekozen ontwerp is dan ook noodzakelijk om zekerheid te hebben, dat het ontwerp met de laatst bekende gegevens en eisen in overeenstemming is. Zeer in het bijzonder betreft deze toetsing de kostprijs, welke in sterke mate door het ontwerp wordt bepaald, zoals door ir. Knoppert als laatste spreker zal worden toegelicht. Ontwerpen is in wezen het nemen van deskundige beslissingen. Met voldoende fantasie gewapend kan immers voor elk probleem een aantal oplossingen worden aangegeven. Sommige hiervan zullen in het gegeven geval minder aantrekkelijk zijn en verder buiten beschouwing kunnen blijven, doch de keuze tussen de overblijvende mogelijkheden is vaak bijzonder moeilijk. Deze keuze mag eerst worden gemaakt in het kader van het grotere geheel, als ook de mogelijke oplossingen van verwante problemen bekend zijn. Persoonlijke voorkeur behoort bij deze keuze slechts een ondergeschikte rol te spelen en primair zal de keuze moeten worden gebaseerd op een objectieve analyse van voor- en nadelen. Een grote vakkennis, ook van de laatste ontwikkelingen op het gebied van techniek en wetenschap is hierbij onmisbaar. Om deze vakkennis op peil te houden en uit te breiden is post-akademiaal onderwijs noodzakelijk, waaraan deze 22e Vakantiecursus in Drinkwatervoorziening weer een belangrijke bijdrage kan geven. Literatuur
1. Oosterhoff, J. Architect en Constructarcr, Intreerede TH Delft, 26 januari 1966. 2. Knikkink, H. Evaluatie van een o~ztwerpmetl~odiek, afstudeerontwerp TH Delft, februari 1969.
IR. C. VAN DER VEEN Directeur Gemeentewaterleidigen Amsterdam
Systematische raming van het toekomstig waterverbruik 1. Inleiding Voor het ontwerpen van waterzuiveringsinstallaties is het nodig te weten hoe groot deze moeten zijn en op welke tijdstippen zij gereed moeten komen. Dit vraagt een inzicht in het in de toekomst te verwachten waterverbruik. In dit artikel zullen methoden worden besproken die een systematische raming mogelijk maken. Daarbij wordt een nieuwe methode geintroduceerd, die is ontleend aan de econometric. In deze methode worden alle factoren die op het waterverbruik invloed hebben op een gewogen wijze in een verbruiksformule samengevat. Door afzonderlijke extrapolatie van deze factoren naar de toekomst ontstaat een prognoselijn. Dit artikel beperkt zich daarbij tot een prognose van het kwantitatieve verbruik.
Zeker zo belangrijk bij het ontwerpen van zuiveringsinstallaties is het zich een denkbeeld te vormen van de eisen, die men in de toekomst aan de kwaliteit van het water zal stellen. Zal men water verlangen met optimale hardheid, van grote helderheid, volstrekt kleurloos en waarin smaak-
en reukstoffen radicaal verwijderd zijn? Ongetwijfeld zal de prijs van het water verhogen. Of neemt men genoegen met goedkoop water, nog bruikbaar maar van tweede of derde kwaliteit? Zal een differentiatie naar diverse kwaliteiten ontstaan, zoals nu a1 het geval is met het gedeeltelijk bereide water dat de NV WRK levert aan de industrie? Kwaliteit en kwantiteit raken elkaar: de kwaliteit en de daarmede samenhangende prijs van het water zullen het verbruik be'invloeden. In het vervolg zal blijken dat ik de kwaliteitsverwachting door middel van de prijs in de verbruiksraming heb verwerkt. Teneinde mijn beschouwingen te verlevendigen heb ik het opgestelde model gekwantificeerd voor het toekomstig waterverbruik in Nederland. Daarbij is Nederland als CCn voorzieningsgebied beschouwd. Dit was het gemakkelijkst omdat van Nederland als geheel de meeste statistische cijfers bekend zijn, die men bij het kwantificeren nodig heef t. Dezelfde methode kan men echter toepassen voor een willekeurig voorzieningsgebied. Veel van hetgeen in de volgende hoofdstukken wordt be-
handeld, is mij geiinspireerd door dat ik lid ben van de Werkgroep Waterverbruik onder leiding van ir. C Biemond. Aan hem en de leden van de Comrnissie betuig ik gaarne mijn hartelijke dank. Een compliment spreek ik uit jegens ir. E. H. A. Hofkes, die de methodiek der determinanten heeft ontwikkeld en numeriek uitgewerkt en ook verder vele belangrijke suggesties heef t gedaan.
2. Systmatische toekomstverkenning De moderne mens ziet de noodzaak van toekomstverkenning. De groeiende bevolking vraagt om voldoende voorzieningen in de toekomst: huizen, wegen, recreatiegebieden, water en werkgelegenheid. Het tot stand brengen van ieder van die voorzieningen vraagt tijd. De benodigde tijd neemt toe naarmate de maatschappij ingewikkelder wordt. Wie vroeger zin had een huis te bouwen kocht een stuk grond en bouwde daarop zijn huis. Langer dan een jaar behoefde het niet te duren. In een schaars bevolkt land is een dergelijke gang van zaken aanvaardbaar. Met een stijgende bevollcingsdichtheid zal men echter het gebruik van de grond beter moeten regelen, zodat het totaal van bebouwing met open ruimten en verbindingen voldoet aan eisen van doelmatigheid. Dit vraagt om regels en procedures, die naarmate zij de in het geding zijnde belangen zuiverder afwegen, tijdrovender zullen zijn. Dit geldt mede voor waterwinningen en waterzuiveringsinstallaties, vooral wanneer deze beslag leggen op ruimte in een dichtbevolkt gebied. Andere belangen dienen te worden afgewogen alvorens de ruimtelijke bestemming wordt vastgelegd. Dan volgt nog koop van de grond, voorbereiding en uitvoering van de werken en het gangbaar maken van de installaties. Wanneer dit tien jaar duurt, moet men ook tien jaar v66r de behoefte acuut is met de plannen een aanvang nemen. Vaak zal deze periode langer zijn. Verlies aan maatschappelijk kapitaal moet worden vermeden door de nodige investeringen op het juiste moment te verrichten. Dit vraagt om een systematische toekomstverkenning. Nu is het voorzien van toekomstige ontwikkelingen in onze tijd niet gemakkelijk. Op vele gebieden doen zich stroomversnellingen voor. Sommige tendensen zoals procesautomatisering en electronische informatieverwerking, zijn onderkend; hun toekomstige invloed is nog moeilijk te peilen. Nieuwe mogelijkheden zulleh hun invloed uitoefenen. Dezelfde factoren, die toekomstverkenning moeilijk maken, hebben ook de belangstelling er voor snel doen groeien. Steeds grotere kapitalen zijn nodig om de geavanceerde technologie toe te passen op het produktieproces, verkeer en vervoer, informatieverwerking enz. De hoge investeringen kunnen slechts terugverdiend worden via intensief en massaal gebruik over een voldoend lange periode. Onjuiste beleidsbeslissingen kunnen leiden tot grote kapitaalsverliezen. De mens moet de toekomst verkennen, omdat bij het handelen in het heden een richtsnoer voor de toelcomst meer dan ooit nodig is. De mens wil de toekomst ook verkennen, omdat het in zijn aard ligt zijn lot zoveel mogelijk zelf te willen bestemmen. Systematische verkenning van de toekomst is behalve doel ook middel. Op verkenning volgt immers planning, dat wil zeggen op de gebeurtenissen vooruit lopen en deze betnvloeden door tijdige beslissingen. Systematische toekomstanalyses zijn opgesteld door
research instituten (de zgn. think tanks) in de Verenigde Staten. Onder andere: ,,The year 2000" (New York, 1967) en het Randrapport [I] (Santa Monica, 1964), waarin deskundigen zich uitspreken over toekomstige ontwikkelingen op hun vakgebied. In Engeland verscheen ,,Profiles of the Future" (London, 1962) en ook in ons land hebben dergelijke publicaties het licht gezien: ,,Nederland en de wereld op weg naar het jaar 2000" (Hilversum, 1968), de Tweede Nota over de Ruimtelijke Ordening in Nederland (Den Haag, 1967) en ,,Rotterdam 2000+". Symptomatisch was de oprichting (in 1968) door het KIvI van de stichting ,,Toekomstbeeld der Techniek", die haar eerste ,,publicatie ten behoeve van de toekomststudies" presenteerde. Het systematisch en kwantitatief verkennen van de toekomst gaat voort. Zo werkt het Nederlands Economisch Instituut in opdracht van de regering aan een integrale studie over de ontwikkeling van het verkeer en vervoer tot het jaar 2000. Middelpunt van een systematische toekomstverkenning is de mens in zijn toekomstige situatie. Hoe zal hij leven, welke gewoonten zal hij hebben, welke en hoe groot zullen zijn behoeften zijn en hoe zal hij in deze behoeften trachten te voorzien? De m e a t toegepaste methode om een beeld van de toekomstige mens en zijn situatie te verkrijgen, gaat uit van de mens aIs vrager naar middelen om in zijn behoeften te voorzien. De mens zelf, hoe gelukkig of ongelukkig hij zal zijn, is niet in maat en getal te vangen. Het ramen van een specifieke behoefte, bijvoorbeeld de behoefte aan het hebben van een auto, aan het doorbrengen van een vakantie in het buitenland, aan het genieten van een academische opleiding, aan het verbruiken van elektrische energie, wordt in ons land niet centraal gedaan (zoals in communistische landen), maar door de betreffende producenten onder invloed van het marktmechanisme. De autofabrikanten schatten het aantal te leveren auto's, de reisbureaus, het aantal buitenlandse vakanties, de universiteiten en hoge scholen het aantal studenten en de elektriciteitsbedrijven het aantal te leveren kilowatt-uur. Het gevaar, verbonden aan ramingen per specifieke behoefte, is het ontbreken van onderlinge consistentie. Dikwijls worden impulsen, die vanuit andere sectoren op een bepaalde behoefte inwerken, niet voldoende onderkend. Het is daarbij de vraag of de toekomstige maatschappij zich zal blijven ontwikkelen in de richting die thans is ingeslagen, namelijk die van een verbruiksmaatschappij. Daarbij wordt de rijkdom afgemeten naar de keuze die de verbruiker kan maken uit door de maatschappij vervaardigde produkten: auto's, woningen, wasmachines, radio's, muziekinstrumenten, kleding enzovoorts. Het verlies aan andere rijkdommen: zuivere lucht, rein water, een stil plekje in het bos, rust etc. wordt daarbij niet geteld. Het ziet er naar uit dat dit beeld verschuift. In de wereld van 1925 was een auto een genot, omdat er maar enkele waren. Vandaag is een stil plekje natuur waardevol [2]. Het is niet te verwonderen dat ook in het verleden het ramen van toekomstige ontwikkelingen een zeer moeilijke opgave is gebleken. Voordat ik u meeneem naar onze eigen sector, voor een beschouwing over het ramen van het toekomstig waterverbruik, wil ik u met enkele voorbeelden aangeven op welke een glibberig terrein wij ons gaan begeven.
Raming van de toekornstige aantallen studenten aan universiteiten en hogescholen (op basis van gegevens uit het rapport) aantal studenten aer 100.OM) inwoners
I
Afb. 1
- Rapport
I
,,De toekornst der academiscl~gegradueerden".
3. Ramingen uit het verleden Ik ga daartoe een dertig jaar terug. Hoe werd in de veertiger jaren de ontwikkeling tot 1970 voorzien? In 1948 gold als officiele raming voor de omvang van de bevolking in Nederland: ruim 12 rniljoen in 1970 en ongeveer 13 miljoen in 1980. Het Nederlands Economisch Instituut raamde toen, dat het personenautobezit in ons land zich zou stabiliseren op 450.000, omstreeks 1970. Deze prognose werd algemeen overdreven gevonden; ongemotiveerd zouden Arnerikaanse verhoudingen op Nederland overgebracht zijn. Inmiddels verstoppen 1,5 miljoen personenauto's de Nederlandse wegen, in 1980 zullen het er 4 miljoen zijn en voor 2000 moet men met 6 B 7 miljoen auto's worden gerekend. Ruim 30 jaar geleden gaf bet groeiende aantal studenten aan universiteiten en hogescholen grote zorg. De commissie-Limburg bracht na zorgvuldige studie een rapport uit. ,,De toekomst der academisch gegradueerden". Uitgaande van de maatschappelijke behoefte aan academici, zoals zij die voorzag, kwam de commissie tot een sombere conclusie: ultimo 1939 zouden in totaal 4400 academici zonder werk zijn, 1 op elke 5 B 6. Bijzonder ongunstig waren de vooruitzichten voor chemici, en voor ingenieurs waren ze nauwelijks beter. De commissie pleitte voor maatregelen om de toevloed van studenten te beperken, opdat de ontwikkeling, die zich aftekende, niet verder zou gaan in een ongewenste richting. De cijfers, waaruit de ontwikkeling zich aftekende, zijn aangegeven in afb. 1. De invloed van de gehanteerde officiele bevolkingsprognose (10 B 11 miljoen in 2000) is gelimineerd door het aantal studenten per 100.000 inwoners te nemen.
Wagen wij ons, door extrapolatie op basis van de toenmalige cijfers, aan een (voor die tijd) gedurfde prognose voor het aantal studenten in 1965, dan wijst de lijn aan: 300 per 100.000 inwoners, bij een bevolking van 12,2 miljoen dus 36.600 studenten. I n 1965 waren 64.300 studenten ingeschreven. En onder het aantal academici, dat sedert 1935 ongeveer verdrievoudigd is, bestond geen belangrijke werkeloosheid. Integendeel! Hoewel in 1947 a1 voorzien werd, dat het inkomen per hoofd van de bevolking belangrijk zou toenemen, kon niemand bevroeden hoe spectaculair het aantal vakanties, doorgebracht in het buitenland, zou toenemen. Toen de Rijksdienst voor het Nationale Plan in 1947 een onderzoek naar de vakantiebesteding instelde, bleek 4 % der vakantiegangers voor vakantie naar het buitenland gegaan te zijn. Bij een ruimer inkomen, betere reismogelijkheden en minder reisbelemmeringen, zou deze groep vakantiegangers nog belangrijk groeien, aldus de analyse van het onderzoek. We1 tot 15 %. In 1968 heeft ongeveer 40 % van alle vakantiegangers de vakantie in het buitenland doorgebracht! Ook voor de groei van de energiebehoefte zijn rarningen opgesteld. Nog in 1958 gold als een verantwoorde raming, rekening houdend met bevolkingsgroei en toename van inkomen per hoofd van de bevolking, een groei der energiebehoefte met 3 B 3,5 % per jaar, dat wil zeggen een verdubbeling in 20 k 25 jaar. In Nederland was het energieverbruik in 1958 rond 218.000 miljard Kgcal. In 1968 was het rond 450.000 rniljard Kgcal. De stijging bedroeg de afgelopen 10 jaar dus ca. 10 % per jaar. Wijs geworden, heeft het Centraal Planbureau in 1965 de groei van de energiebehoefte over de periode 1965-1970 op 55 % (gemiddeld dus 11 %) geraamd. Binnenkort zal de werkelijke verbruiksstijging bekend worden. Het laatste voorbeeld brengt ons dicht bij ons eigen vakgebied, dat der watervoorziening. Immers, de elektriciteitsbedrijven vormen evenals de waterleidingbedrijven een stuk infrastructuur, meer voorwzarde voor dan deelnemer aan verdere economische groei. In het rapport van de Commissie Drinkwatervoorziening Westen des Lands ((1940) werd het waterverbruik voor het gehele land in het jaar 2000, bij een bevolking van 12 miljoen, geraamd op rond 700 miljoen m3. Voor het westen des lands voorzag de commissie een waterverbruik van 385 miljoen m3 in 2000. Het is anders gegaan. Afb.2 - De czcnzulatieve extrapolafie functie (de waarde varz de r
factor ( I
+ -)t
100
Ramingen van d e
toekomstige watewerbruiken (rapport C.C.D. 1965)
in rniljarden ml
bij een gerniddelde ontwikkeling
-
Afb.3 - Cer~traleComrnissie voor Drinkwatervoorzier~ing.
Afb. 4
In 1968 leverden de waterleidingbedrijven ongeveer de genoemde hoeveelheden af, 776 miljoen m3 in het gehele land en 394 miljoen m3 in het westen des lands. De ontwikkeling is veel sneller gegaan dan destijds kon worden voorzien. Een ander bekend rapport, de Watervoorziening van Amsterdam 1948, raamde de levering van het bedrijf der Gemeentewaterleidingen in 1968 op maximaal rond 70 miljoen m3, het eerdere rapport 1940 wees naar 60 miljoen m3. Het bedrijf leverde 81 miljoen m3 in 1968. Welke les valt nu hieruit te trekken? Zeker niet dat de explosieve ontwikkeling over de laatste dertig jaar zich over een volgende even lange periode zonder meer zal voortzetten. Het is mogelijk, maar niet noodzakelijk. Dit hangt af van de factoren, die op het toekomstige waterverbruik van invloed zijn. Hoe zijn deze te onderkennen.
V, = waterverbruik in basisjaar
4. De extrapolatie methode Vele ramingen worden opgesteld met de methode van extrapolatie. Zoals bekend, wordt hierbij de trend in een reeks cijfers uit het verleden doorgetrokken naar de toekomst. Bij raming van het toekomstig waterverbruik wordt eerst de ontwikkeling van het verbruik in het verleden geanalyseerd; vervolgens wordt de gevonden trend vloeiend in de toekomst voortgezet. Hierbij kan men de volgende formule gebruiken:
waarin: V, = waterverbruik t jaar voor of na het basisjaar
Gemeerztewaterleidingetz Amsterdam.
r
= factor, die groei van het waterverbruik per jaar
t
= aantal jaren v66r of na het basisjaar
aangeeft
In afb. 2 is de factor (1
+ -)
r t voor verschillende
100
waarden van r getekend. De afb. 3 en 4 geven als voorbeeld verbruiksprognoses van de Centrale Commissie voor Drinkwatervoorziening en Gemeentewaterleidingen in Amsterdam. U ziet, dat de factor r een verschillende waarde is gegeven, afhankelijk van de beschouwde perioden. Het is we1 aardig om op te merken, dat op basis van dezelfde reeksen verbruikscijfers uit het verleden ook prognoses opgesteld kunnen worden volgens de formule:
v, =
v
+
1 lop-q.t waarin: V, = waterverbruik t jaar v66r of na het basisjaar V = absolute topwaarde, waartoe het waterverbruik in de toekomst zal naderen p, q = factoren, die het verloop van het waterverbruik als functie van de tijd beschrijven = aantal jaren v66r of na het basisjaar t NB = Is de grootte van het waterverbruik in het basisjaar Vb,dan volgt de waarde van p uit:
v 1
+ lop
=
Vb (V en Vb bekend)
ratarrerbruik per jaar
Afb. 5
- De logistieke exfrapolatie fu~tctie.
Op zich is deze formule (afb. 5) nog niet zo gek, want het is redelijker te veronderstellen, dat het waterverbruik uiteindelijk een eindwaarde zal naderen dan steeds sneller naar oneindig zal gaan. Met betrekking tot deze wijze van raming moet worden opgemerkt, dat - welke formule ook gebruikt wordt het resultaat niet meer biedt dan indirecte informatie. Het waterverbruik is geen functie van de tijd zelf, maar van bevolkingsomvang, gebruiksgewoonten, de econornische activiteit, die ieder een ontwikkeling tonen, die we1 tijd nodig heeft, maar ook zelf weer geen functie van de tijd zijn. Verder is het onderkennen van de trend in een reeks verbruikscijfers zeer moeilijk. Er zijn conjunctuurschommelingen, seizoensinvloeden en toevallige factoren. De trendlijn, die uiteindelijk aan de reeks verbruikscijfers wordt ontleend, blijft steeds enigszins arbitrair gekozen. Daar komt nog bij, dat het resultaat van elke extrapolatie belnvloed kan worden door de (willekeurige) lengte van de reeks verbruikscijfers, en vooral door het (willeIteurig) eindpunt van die reeks. Deze bezwaren zijn natuurlijk onderkend. Men heeft gepoogd eraan tegemoet te komen door de extrapolatielijn zoveel te verleggen, dat daarin de verwachte versterkte invloed op het waterverbruik van bepaalde factoren tot uitdrukking kwam. Dit leidt a1 gauw tot een gespreide raming, BCn voor de gemiddelde ontwikkeling, 6Bn voor de minimale en CCn voor de maximale. Een raming is op zichzelE interessant, maar niet alleen zalig makend. Van nog meer belang is een voldoende inzicht in de factoren die het toekomstig verbruilc bepalen. Daartoe is een extrapolatie methode niet zonder meer geschikt, daar de afzonderlijke factoren, die het waterverbruik bepalen niet zichtbaar worden. Dit gebeurt we1 in de zogenaamde determinanten-methode, die ik thans zal toelichten.
5. De determinanten methode [3] Het is nodig de termen, die in het verdere betoog zullen worden gebruikt, scherper te omlijnen. Onder water versta ik kwaliteitswater, dat wordt verbruikt als drinkwater, voor hygienische doeleinden en voor verzorging en in industriele toepassingen, waarbij uitgezonderd wordt het grootste deel van het koelwater. Tot kwaliteitswater wordt slechts dat (geringe) deel van he koelwater gerekend, dat uit de openbare voorziening
wordt geleverd 6f dat voor of na gebruik als koelwater ook nog voor niet-koeldoeleinden toepassing vindt. Met deze ,,praktijk" term kwaliteitswater worden dus uit de soorten verbruikswater die afgezonderd, waarvoor de waterleidingbedrijven nu of in de toekomst ,,in de markt" zijn. Met waterbehoefte wordt bedoeld: de totale vraag naar kwaliteitswater, indien dit water kosteloos en ongelimiteerd ter beschikking zou staan. Waterverbruik is de hoeveelheid water, die werkelijk afgenomen wordt door de bevolking, de industrie, de bedrijven en ten behoeve van de openbare dienst. Deze termen zijn niet identiek en moeten niet willekeurig worden gebruikt. Zoals in elke behoefte zal in de behoefte aan water zover voorzien worden als de beschikbaarheid, bij redelijk geachte kosten, toestaat. De mate, waarin water beschikbaar gesteld wordt en tegen welke prijs is een beleidskeuze. In hoeverre door waterverbruik aan de waterbehoefte tegemoet gekomen wordt, is een consumentenkeuze. Wij weten, dat de behoefte vrijwel altijd groter was en is dan het verbruik, maar het is moeilijk te zeggen hoeveel groter. Het verbruik kan een trendbreuk vertonen, als de waterverbruikers besluiten voortaan hun waterbehoefte voor een groter deel te gaan dekken. Een beeld van een dergelijke trendbreuk geeft afb. 6. Uit het voorgaande volgt, dat het toekomstige waterverbruik op twee6rlei wijze wordt be~nvloed: 1, door de ontwikkeling van de waterbehoeften; 2. door de mate waarin aan de waterbehoefte tegemoet zal worden gekomen. Een voorbeeld, dat dit mechanisme goed illustreert, is het parkeren van auto's in een city. Wanneer daaraan geen beperking wordt opgelegd, blijkt het verbruik aan parAfb. 6 - Gemeentewaterleidi~zgenAnzsterdam. De tre~zdbreukomstreeks 1950 (en de gevolgerz voor de prognoses 1940 en 1948).
Afb. 7
- Oriderscheid tussen waterbehoefte en waterverbruik.
Afb. 8
- Onderscheid tussert waterbehoefte en waterverbruik.
keerruimte zeer groot te zijn. Iedereen komt met zijn auto naar de stad. Voorziet men evenwel de parkeerruimte van parkeermeters dan daalt het parkeerruimteverbruik. Men kan dit effect overtrekken door een te hoge prijs in rekening te brengen. Dit geldt voor parkeren en evenzeer voor het leveren van water. In afb. 7 is het onderscheid tussen waterbehoefte en waterverbruik schematisch verduidelijkt. Aangegeven is hoe na een trendbreuk het waterverbruik in hogere mate aan de waterbehoefte tegemoet is gaan komen. I n afb. 8 is een geval afgebeeld, waarbij het verbruik enige tijd achterbleef bij de stijgende behoefte. Dit geldt bijvoorbeeld voor een waterleidingbedrijf met vier pompstations, dat enige tijd CCn pompstation moet missen. Met moeite kan het bedrijf de totale levering constant houden. Het verbruik zal dat jaar nagenoeg constant blijven. Wie daaruit conclusies trekt voor de toekomst, is op glad ijs. De behoefte zal gewoon doorgroeien, en de spanning tussen waterbehoefte en waterverbruik zal toenemen. Met behulp van de begrippen waterbehoefte en waferverbruik laat zich nu een systematiek voor raming van de toekomstige ontwikkeling opbouwen, die de deternzinanten methode wordt genoemd. Hierbij wordt gebruik gemaakt van instrumenten der kwantitatieve economie, de econometric. De vraag is daarbij in hoeverre water, in de zin zoals wij dat hier beschouwen, een economisch goed is dat gehoorzaamt aan de wetten van de economie. De economie is de leer van de behoeften en de schaarse middelen om in die behoeften te voorzien. Water is een schaars artikel.
Naast deze algemene eigenschap, die het met vele andere goederen deelt, heeft water nog een bijzondere eigenschap. Hoe de waterbehoefte zich ook ontwikkelt, in een deel zal altijd moeten worden voorzien. Dit deel is als drinkwater, als water ter bereiding van spijzen en voor hygienische doeleinden, onvervangbaar. Het is niet onderworpen aan een normale consumentenkeuze; het zal verbruikt worden tegen welke prijs het ook beschikbaar wordt gesteld. Voor dit basis-gedeelte van het waterverbruik gelden de normale economische wetten niet. Water in die functie is niet een economisch goed. Dit basis-gedeelte van het waterverbruik is geen statische grootheid. Wat 50 jaar geleden nog als ,,extrau werd beschouwd, wordt thans als noodzakelijk ondervonden. Met de toenemende eisen, die de mens aan zijn verzorging stelt en die door de ontwikkelende hygignische inzichten worden ondersteund, zal ook het basis-gedeelte van het waterverbruik in absolute zin stijgen. In relatieve zin zal het echter in het totale verbruik een minder belangrijke plaats gaan innemen. Om de gedachten te bepalen: het zal momenteel in de orde van 70 l/inw. dag liggen. De prijsinvloeden over het verbruik van 70 tot 100 l1inw.d zullen zeer klein zijn; de geringe invloed van tariefsverhogingen wijst duidelijk in die richting. Het verbruik van water tussen 100 en 200 11inw.d. zal meer prijsgevoelig zijn, en het verbruik tussen 200 en 300 11inw.d. nog meer. Het verbruik voor huishoudelijke doeleinden bij rond 500 1linw.d. zal wellicht belangrijk door de hoogte van de waterprijs zijn be'invloed [4]. Zo tekent zich een vraagschaal af naar kwaliteitswater voor huishoudelijk verbruik, die aan de voet volkomen inelastisch is (zuiver bepaald door hygienische noodzaak)
- Prijselasticiteit van he! huishoudelijk waterverbruik.
Afb. 10 - Prijselasticiteit van het waterverbruik door een (bepaalde) industriele verbruiker.
Afb. 9
I
1
-
-
prij..laatioitait (in%)
____II:l
.
/. /'
/.
/'
/. /'
wat~rvorbruik (in m3 par eenhei
/.
./.
( a
i
-
produllt)
20
Prijselasticiteit is de mate, waarin het wate~erbruik toeneemt bij een verlaging van de waterprus met 1 % (resp. de verrnindering van het wate~erbruik bij een prijsverhoging van 1 '%A\
en in toenemende mate prijselasticiteit vertoont. In afb. 9 is deze gedachtenconstructie in tekening gebracht. Voor het industriele waterverbruik laat zich een soortgelijke vraagschaal afleiden, per industriele afnemer (afb. 10). Bij groeiend waterverbruik neemt derhalve de prijselasticiteit toe. Het water voegt zich in zijn produktie en afzet meer en meer in het geheel van economische relaties, waar onderlinge afweging van nuttigheden en kosten plaatsvindt. De waterleidingbedrijven worden dan een bedrijfstak, die zijn serie produkten (de verschillende soorten kwaliteitswater) aanbiedt naast en in concurrentie met andere produkten [ S ] . D e Nederlandse waterleidingbedrijven verkeren thans in een overgangsfase van een in hoofdzaak sociaal georienteerde groep gezondheidszorginstituten naar een sociaal-economische bedrijfstak. Indien als uitgangspunt wordt aangehouden, dat in de toekomst ruimer in de gedifferentieerde waterbehoeften voorzien zal (worden dan nu gebeurt en daarnaast de groei van de waterbehoefte wordt afgeleid uit de algemene economische ontwikkeling in de toekomst, dan is een verantwoorde en logische benadering gekozen voor het opstellen van een raming van het waterverbruik. Ik kom nu toe aan het concretiseren van deze benadering. Daartoe betreden we het terrein van de econometrie. Onze landgenoot Tinbergen heeft op dit gebied baanbrekend werk verricht, dat internationale erkenning heeft gevonden en in 1969 met de Nobel-prijs voor economic geeerd werd. De macro-economische verlcenningen van het Centraal Planbureau en de meerjarenplanning van veel grote bedrijven bedienen zich van econometrische middelen. Bij deze aanpak wordt de grootheid, waarvan de raming gewenst wordt (in ons geval de toekomstige waterbehoefte) gevat in een model, dikwijls een stelsel vergelijkingen. Daarin worden de verschillende determinanten opgenomen. Als voorbeeld moge dienen de zgn. consumptievergelijking uit het model 1961 van het Centraal Planbureau: C = 0,64 LB 0,17 ZB 0,46 p, - 0,16 A C 0,05 cr - 0,63 waarin: C = waarde van de consumotie = beschikbaar inkomen uit loondienst LB ZR - = beschikbaar inlcomen uit overigc bronnen a p, = verandering in het consumptieprijspeil A C = verandering in waarde der consumptie in de voorgaande periode cr = omvang der liquiditeiten
+
+
+
+
Voor dc eenvoud zijn vertragingsinvloeden uit de formule weggelaten. Dz inodelvergelijking bevat geen termen voor de absolute grooite der economische variabelen, maar alleen verschillen tussen opeenvolgende jaren, als percentages. Waar dus het differensen-symbool A staat, is sprake van een tweode afgeleide. De formulc geeft interessante kwantitatieve informatie, die gebruikt wordt bij de vaststelling van het macroeconomische beleid van de regering en bij de belastingpolitielc. Bijvoorbeeld: indien het beschikbaar inkomen uii loondienst LB met 1 % groeit, werkt 0,64 % door in een toename van de waarde der consumptie. Bij 1 % groei van het beschikbaar inkomen uit overige bronnen zal slechts 0,17 % in de consumptiestijging optreden.
Ik hoop, dat dit voorbeeld een idee geeft in welke richting een determinanten-model voor de raming der toelcomstige waterbehoeften kan worden ontwikkeld. In de volgende hoofdstukken waag ik een poging een dergelijk model in theoretische zin op te bouwen en te kwantificeren. 6. Het gebruikte determinanten-model Determinanten, in econometrische zin, zijn veranderingen in de factoren die het waterverbruik bepalen. Deze komen voor in een determinanten-model, dat is een vergelijking, waarin de samenhang tussen een aantal economische grootheden kwantitatief is vastgelegd. In appendix A wordt het determinanten-model beschreven. Op deze plaats volsta ik met een korte aanduiding, die voor het volgen van het betoog voldoende is. i =n 1 ' = a X b, xi i=l Y = het waterverbruik a = een constante b i = een parameter (wegingsfactor) xi = een waterverbruik bepalende factor Voor een gegeven tijdstip in het verleden (basisjaar) is het verbruik bekend. Door een analyse komt men tot een keuze van de voornaamste waterverbruik bepalende factoren x i en hun gewicht b,. Men kan dan het waterverbruik naar deze factoren splitsen en opschrijven en a als restfactor invoeren. Een prognose betekent een groei A Y van Y in een tijd a t. i =n AY = Z b, ( A X , ) i=l waarin: A lr = de groei van het waterverbruilc n xi = determinant (groei van waterverbruik bepalende factor) Hierna worden de determinanten met D aangegeven. Als de determinanten bekend zijn, is het mogelijk a Xr te calculeren. De zin van het invoeren van determinanten is vooral aanwezig wanneer de determinanten in de toekomst een verloop zullen vertonen dat afwijkt van hun huidige trend. Daartoe moeten de determinanten afzonderlijk worden geanalyseerd. Voor de verschillende determinanten zijn afzonderlijk ontwikkelingen te verwachten zodat de onderlinge verhoudingen zullen verschuiven. Het zijn deze factoren die de determinantenmethode docn verschillen van een trendextrapolatie. b. Indelirzg van de ~1aterver.bruikersin cat ego riel;?^ De volgende indeling van de waterverbruikers in categorieen is gelcozen: A. in de sector wonen: de gezinshuishoudingen B. in de sector verzorging: de verzorgingseenhedenl) C. in de sector diensten: de zakelijke aansluitingen') 1) 2)
nadere gegevens: c onder B nadere gegevens: c onder C
D. in de sector industrie: de industriele afnemers E. in de sector tuinbouw veeteelt: de bijzondere agrarische verbruikers
+
De indeling sluit aan bij die van de Werkgroep Waterverbruik (Biemond), welke het volgende onderscheid maakt: Huishoudelijlc verbruik, Commercieel en Openbaar verbruik, Industrieel verbruik en Bijzonder agrarisch verbruik. Zolang alleen over de verbruikszijde van de watervoorziening wordt gesproken, blijven lekverlieZen en eigen verbruik van het bedrijf, buiten beschouwing. Voor elk der genoemde categorien wordt nu een serie vergelijkingen opgezet. Indien de vergelijkingen onderling consistent zijn, kan het totale toekomstige waterverbruik worden gevonden door sommatie van de verkregen uitkomsten. I n vergelijking wordt dit: A Y = a D(A) P D(B) y D(C) E D(E) waarin: A = sector wonen, etc.
+
+
+
D (waterbehoef te (verzorging)) = e l . D (aantal verzorgingseenheden groep I winkels, warenhuizen, caf& restaurants, hotels, kappers); ea . D (aantal verzorgingseenheden groep I1 onderwijsinstellingen, verplegingsinrichtingen, rusthuizen, openbare en culturele gebouwen); e3 . D (aantal verzorgingseenheden groep 111 zwembaden, wasserijen, wasserettes, fonteinen, plantsoenen, sportvelden); f~ . D (gemiddelde waterbehoefte per verzorgingseenhdd groep I); fa . D (gemiddelde waterbehoefte per verzorgingseenheid groep 11); f3 . D (gemiddelde waterbehoefte per verzorgingseenheid groep 111); g . D (algemeen verzorgingspeil (correctiefactor).
+ a D(D) +
c. De vergelijkingen voor raming van de toekomstige ontwikkeling der waterbehoeften A. sector wonen ui tgangspunten: - deel van her beschikbaar inkorilen per hoofd, besten~d voor woongenot; - groei aantal huishoudingen. D (waterbehoefte huishoudelijk) = ax . D (aantal vooroorlogse woningen); a2 . D (aantal naoorlogse woningen); f bl . D (waterbehoefte per vooroorlogse woning); ba . D (waterbehoefte per naoorlogse woning).
+ + +
p.m. D (waterbehoefte per vooroorlogse woning) = c l . D (gemiddelde woningbezetting); ca . D (sanitaire voorzieningen); c3 . D (bestand van wate~erbruikstoesteIlen); c4 . D (aantallen aansluitingen op centrale warmwatervoorziening); c5 . D (aantal auto's per 1000 inwoners); C6 . D (aantal tuinen per 1000 woningen); CT . D (waterbeschaving (correctiefactor)).
+ + + + + + +
+ +
+ + + +
C. sector diensten (vervoer en verkeer, handel, communicatie) uitgangspunten: - groei vervoer erz verkeer; - groei handel; - groei totale dienstensector. D (waterbehoefte (zakelijk)) = h . D (aantal zakelijke aansluitingen vervoersinrichtingen, handelsinrichtingen, kantoren, laboratoria en communicatiebedrijven); i . D (gemiddelde waterbehoefte per zakelijke aansluiting); k . D (waterverbruiksintensiteit in de dienstensector (correctiefactor)).
+
+ +
D. sector industrie (produktie) uitgangspunten: - groei bruto binnenlands produkt in volumina); - ontwikkeling van de technologie van het waterverbruik in de industrie. D (waterbehoefte (industrieel)) = l1 . D (produktievolume chemische industrie); 12 . D (produktievolume olieraffinage); l3 . D (produktievolume metallurgische industrie); l4 . D (produktievolume papier- en strokarton industrie); l5 . D (produktievolume voedings- en genotmiddelen industrie); Is . D (produktievolume overige industrie); m . D (waterverbruiksintensiteit van de industriele produktie (correctiefactor)).
+ + + + + + +
D (waterbehoefte per naoorlogse woning) = d l . D (gemiddelde woningbezetting); dz . D (sanitaire voorzieningen); d3 . D (bestand van waterverbruikstoestellen); de. D (aantal aansluitingen op centrale warmwatervoorziening); d5. D (aantal auto's per 1000 inwoners); d6 . D (aantal tuinen per 1000 woningen); d7 . D (waterbeschaving (correctiefactor)).
E. sector bijzonder agrarisch verbruik (tuinbouw, veeteelt)
B. sector verzorging uitgangspunten: - deel van het besteedbaar inkomen per hoofd door particulieren c.q. de overheid bestenld voor verzorging in de ruimste zin; - groei van de bevolking.
D (waterbehoefte (bijzonder agrarisch)) = nl . D (aantal ha tuinderij); n2. D (aantal stuks vee, aangewezen op veedrenkinrichtingen); 01. D (beregening per ha tuinderij); 02 . D (waterverbruiksintensiteit in de tuinbouw en veeteelt (correctiefactor)).
+ + + + + + +
+ + +
+
d. De vergelijkingen voor raming van de toekoinstige ontwikkeling der waterverbruiken A. sector verzorging D (waterverbruik (huishoudelijk)) = p . D (waterbehoefte (huishoudelijk)) - q . D (waterprijs voor verbruik in woningen in rekening gebracht. B. sector verzorging D (waterverbruik (verzorging)) = r . D (waterbehoefte (verzorging)) - s . D (waterprijs voor verbruik in verzorgingseenheden in rekening gebracht). C. sector diensten D (waterverbruik) = t . D (waterbehoefte (zakelijk)) - u . D (waterprijs voor verbruik t.b.v. zakelijke doeleinden in rekening gebracht). D. sector industrie (excl. koelwater) D (industrieel waterverbruik) = v . D (waterbehoefte (industrieel)) - w . D (recirculatie); D (recirculatie) = x . D (waterprijs voor industrieel verbruik in rekening gebracht c.q. kostprijs water uit y . D (technologic van het watereigen winning) verbruik in de industrie); D (industrieel waterverbruik uit de openbare voorziening) = A .D (totaal industrieel waterverbruik) B . D (hoeveelheden water uit eigen winning; D (hoeveelheden water uit eigen winning) = - C . D (waterprijs, kostprijs water uit eigen winning); - D . D (waterprijs, voor industrieel verbruik in rekening gebracht); E . D (hoeveelheden water, in aanmerking komend voor eigen winning (binnen beperkingen door lozingsvoorwaarden en grondwaterbeheersvoorschriften)).
+
+
E. sector bijzonder agrarisch verbruik D (waterverbruik (bijzonder agrarisch)) = F .D (waterbehoef te (bijzonder agrarisch)) - G . D (waterprijs voor bijzonder agrarisch verbruik in rekening gebracht).
+
e. De vergelijking voor de groei van het totale waterverbruilc De groei van het totale waterverbruik voor de categorieen A, B, C, D en E gezamenlijk volgt nu door gewogen sornrnatie van de groei der waterverbruiken in de afzonderlijke sectoren: D (totale water verbruik) = CI . D (huishoudelijk); p . D (verzorging); y . D (zalcelijk); cr . D (industrieel); E . D (bijzonder agrarisch).
+ + + + +
7. De kwantificering van het determinanten-model Voor het lcwantificeren van het determinanten-model, dat wil zeggen voor het in cijfers bepalen van determinanten en parameters, zijn vele analyses nodig. Per determinant dient een prognose van de toekomstige ontwikkeling te worden samengesteld. Een belangrijk hulpmiddel daarbij zijn de publilcaties van gespecialiseerde instellingen, zoals het Centraal Bureau voor Statistiek, het Centraal Planbureau, het Ministerie van Volkshuisvesting en Ruimtelijke Ordening en hun buitenlandse zusterinstellingen.
Het is verstandig, waar mogelijk, de cijfers van deze gespecialiseerde instellingen aan te houden en geen eigen bewerking van de basisgegevens uit te voeren. Voor de determinanten, die op de watervoorziening betrekking hebben kan gebruik worden gemaakt van de cijfers uit de rapporten va nde Centrale Commissie voor Drinkwatervoorziening (1965) en de Werkgroep Waterverbruik Basisplannen (1970). Ook aan de ,,Statistkche Overzichten" van de Vereniging van Exploitanten van Waterleidingbedrijven in Nederland kan menige cijferwaarde ontleend worden; hetzelfde geldt voor soortgelijke publikaties van buitenlandse zusterverenigingen, zoals de Verein Deutscher Gas- und Wasserfachmannern, de Verein Deutscher Gas- und Wasserwerke, de British Water Works Association en de American Water Works Association. De beschikbare gegevens zijn in het determinanten-model ingevoerd. Op een aantal punten, waar speciaal (statistisch) onderzoek de nog ontbrekende waarden moet leveren, zijn voorlopig geschatte cijfers opgenomen. Dit geldt met name voor de parameters, die de onderlinge afweging van de determinanten verzorgen. In eerste instantie is het determinanten-model geijkt op de nationale verhoudingen. Weliswaar is een raming van de toekomstige waterverbruiken voor geheel Nederland geen relevante informatie voor de afzonderlijke waterleidingbedrijven, maar zeer vele van de gebruikte cijfers voor determinanten en parameters zijn momenteel alleen voor geheel Nederland beschikbaar. Hier volgt een voorbeeld, waaruit de berekeningswijze van de determinanten en parameters blijkt. Berekend worden : de determinanten D (aantal vooroorlogse woningen) en D (aantal naoorlogse woningen), alsmede de parameters a1 en a%. per I januari 1968 aantal vooroorlogse woningen : : aantal naoorlogse woningen
totale woningvoorraad bouwprogramma 19693) : af: afbraak4)
1.900.000 1.600.000
3.500.000 125.000 10.000
netto-nieuwbouw 1969 : 115.000 gemiddelde uitbreiding nettonieuwbouw5) (periode 1970-1980): netto-nieuwbouw 1970-1980: afbraakprogramma krotwiningen 1969: plus: extra afbraak"): totale afbraak 1969: afbraakprogramma 1970-1980:
12.000 10.000 22.000 4 % per jaar (bouwbeleid) 115.000-170.000 pj. 22.000- 40.000 pj. (saneringsbeleid)
Gereedgekomen in de 12-maandsperiode dec. '68-nov. '69 124.809 woningen (CBS) ; in aanbouw genomen 122.609 en uitgegeven vergunningen, excl. nieuw uitgegeven intrekkingen i28.612. 9 Verkeersdoorbraken en ander bestemmingen bouwgrond. 6) Ingecalculeerd relatieve stijging der bouwkosten: 1 % per jaar. 3)
Uit de ~bovenvermeldevoorraadmutaties vooroorlogse en naoorlogse woningen volgen (grafische oplossing): D (aantal vooroorlogse woningen) = - 1,s % per jaar 6 % per jaar D (aantal naoorlogse woningen) = (periode 1970-1980)
+
leeftijdsverdeling van de woningen per 1januari 1968 bouwperiode % van de voorraad v66r 1906 20 21 1906 ,t/m 1930 13 1931 t/m 1945 46 1946 t/m 1967 100 In 1968 gold dus: a1 = 0,54 en ap = O,46. Uit deze beginverhouding en de bovenvermelde voorraadmutaties vooroorlogse en naoorlogse woningen volgen (grafische oplossingen): a1 = 0,44 (gemiddeld voor periode 1970-1980); ap = 0,56 (gemiddeld voor periode 1970-1980). 8. Qroeve van een watewerbruiksraming met het determinanten-model Zuiver als vingeroefening - meer niet - is met het op deze wijze voorlopig en globaal gekwantificeerde model (geijkt op nationale verhoudingen) een raming uitgevoerd. Hierbij is een trendmatige stijging van de waterprijs voor alle categorieen van verbruikers aangehouden van 1,s % per jaar voor 1970-1980 en 1 % per jaar voor 1980-2000. Bij een voortgaande waardevermindering van de gulden in het huidige tempo betekent dit een absolute stij~ingvan de waterprijs van ca. 5 % per jaar. De bereIcening leverde als uitkomsten: D (huishoudelijk waterverbruik) = 3,3 % per jaar (1970-1980) 2,5 % per jaar (1980-2000) D (waterverbruik verzorging) = 4,l % per jaar (1970-1980) 3,8 % per jaar (1980-2000) D (zakelijk waterverbruik) 4,s % per jaar (1970-1980) 4,9 % per jaar (1980-2000) = D (industrieel waterverbruik) 4,8 % per jaar (1970-1980) 3.7 % per jaar (1980-2000) D (bijzonder agrarisch verbruik) = 3,O % per jaar (1970-1980) 1,2 % per jaar (1980-2000) Bij de berekening van het groeitempo van het totale waterverbruik, r a p . het groeitempo van het waterverbruik uit de openbare voorziening, uit de groeitempi per sector, bleken de volgende parameters (wegingsfactoren) te gelden:
Resultaten: D (totale waterverbruik)
3,9 % per jaar (1970-1980) 3,2 % per jaar (1980-2000)
D (waterverbruik uit de openbare voorziening) = 4,6 % per jaar (1970-1980) 4,l % per jaar (1980-2000) Deze groeitempi zijn afgeleid voor het zgn. netto-waterverbruik, d.w.z. het waterverbruik exclusief de lekverliezen, spuiverliezen en eigen verbruiken Het is gebruikelijk ramingen voor het toekomstig 'waterverbruik te betrekken op het bruto-waterverbruik, zijnde het totale beroep op de waterbronnen. Het berekende groeiverloop voor het netto-waterverbruik zou ook gelden voor het bruto-waterverbruik, indien bet aandeel lekverliezen, spuiverliezen en eigen verbruik onveranderd zou blijven. Ik hoop, dat dit aandeel in de toekomst verminderd kan worden, maar ik houd hier rekening met een onveranderd aandeel. Dan kunnen ramingen voor het toekomstige waterverbruik berekend worden op basis van de bruto-waterverbruik - cijfers van 1967, vermeld in de brief aan de Tweede Kamer van Staatssecretaris Kruisinga over de basisplannen (november 1969): Ramingen (exclusief koelwater) bruto waterverbruik totaal 1980 = 1375 (1,039)13 = = 1375 bruto waterverbruik totaal
1,656
= 2280 mln m3
2000 = 2280 (1,032)20 = = 2280 1,881 = 4300 mln m3 bruto waterverbruik uit de openbare voorziening 1980 = 756 (1,046p = 1360 rnln m3 bruto waterverbruik uit de openbare voorziening 2000 = 1360 (1,041)20 = 3050 mln m3
Overzicht van de uitkomsten: hoeveelheden kwaliteitswater6) bruto waterverbruik totaal bruto waterverbruik uit de openbare voorziening, incl. halffiltraat openbare voorziening in % van het bruto waterverbruik totaal
1375 2280 4300 (100 %) (166 %) (310 %) 756 1360 3050 (100 %) (180 %) (400 %) 55%
60%
70%
9. Kritische nabeschouwing Voor tal van zaken is het nodig toekomstprognoses te maken. Water maakt daarop geen uitzondering. De zin van een dergelijke blik in de toekomst is het coordineren van de maatregelen die vandaag moeten worden genomen om de toekomst veilig te stellen. Het geheel van die maatregelen wordt verwerkt in planning. Planning is het reserveren van mogelijkheden en het aansturen op het benutten van die mogelijkheden. Planning, volgens professor Pen [6], is macro-economische stuurkunst. Een toekomstvisie en een raming van het waterverbruik in de toekomst, is niet 10s te maken van de toekomstige planning en het beleid dat daarin tot uitdrukking komt. Het toekomstige tariefbeleid zal op het waterverbruik van invloed zijn. Het belasten van verbruikt water door heffingen bij lozing eveneens. De woningbouw-politiek 6)
Geen koelwater, zie blz. 10.
zal uitmaken hoeveel nieuwe woningen zullen worden gebouwd en van welk niveau de sanitaire voorzieningen zullen zijn. Het industriebeleid is van beslissende invloed op het waterverbruik en op de plaatsen waar dit plaatsvindt . Een raming is daardoor niet een schatting van wat er in de toekomst gaat gebeuren, in de zin van staren in een kristallen bol, maar houdt mede in een gericht beleid. Een deel van dit beleid hebben de waterleidingbedrijven in eigen hand, bijvoorbeeld door de toe te passen tarieven. Voor een gericht nationaal beleid is het daarom urgent dat een landelijk coherent tariefstelsel tot stand komt. Daarnaast hebben zij invloed op de kwaliteit van het af te leveren water, waardoor ook het verbruik zal worden be'invloed. De kwaliteit kan naar enkele soorten water zijn gedifferentieerd. Ook een juiste voorlichting is een beleidsinstrument van de waterleidingbedrijven (de image van het water!). Een deel van het beleid ligt buiten onze directe macht, zoals de woningbouw- en industrialisatiebeleid. Hier moeten wij uitgaan van de denkbeelden die in die sfeer heersen en het beleid dat daaruit voortvloeit. Men komt voor de vraag: welk deel van het nationaal inkomen is beschikbaar voor de watervoorziening, in welke mate kan water beschikbaar gesteld worden en tegen welke prijs? Het antwoord op deze vraag zal gegeven moeten worden door de waterverbruikers en, namens hen, door de beleidsinstanties. Een raming blijft daardoor, hoe wetenschappelijk ook van opzet, als toekomstvoorspelling een sprong in het duister. Als beleidsinstrument is het uiterst waardevol omdat het mede de doeleinden vaststelt waarnaar men streeft. I n dit opzicht heeft het determinanten-model in principe een voorsprong op andere methoden. Het onderscheidt op een gewogen wijze d e factoren die tot de raming bijdragen. Door deze factoren te varieren kan men de relatieve invloed daarvan vaststellen. Door statistisch onderzoek kan men de berekening verfijnen en regelmatig, bijvoorbeeld om het jaar, zoals het Centraal Economisch Plan corrigeren en aanpassen. I n Amsterdam wordt thans gewerkt aan een determinanten-model voor het eigen voorzieningsgebied. Het lijkt mij gewenst ook voor ,,het voorzieningsgebied" Nederland een determinanten-model te gaan hanteren, in de zin zoals ik hiervoor heb uiteengezet. 10. Conclusie Ik wijs er met nadruk op, dat de gevonden uitkomsten niet meer zijn dan de allereerste resultaten, verkregen met een nog onvoldoende uitgewerkt model. In deze voordracht ging het ook niet om de uitkomsten, maar om de systematiek der ramingen. Aan een systematische raming van het toekomstige waterverbruik bestaat grote behoefte. Aanbevolen wordt gebruik te maken van de determinanten-methode, waarbij de factoren die het waterverbruik bepalen in een stelsel vergelijkingen zijn gevat: het determinanten-model, Deze vergelijkingen kunnen worden geijkt op het heden en doorgetrokken naar de toekomst door de determinerende factoren met behulp van de statistiek te analyseren en te schatten. Deze schattingen gaan uit van het in de toekomst te voeren beleid. Zij houden rekening met de geplande toekomstige ontwikkeling.
Een prognose krachtens een determinanten-model wordt daarmee vooral een beleidsinstrument, meer dan een schouwen in de nevelen van de toekomst. Als zodanig moet de raming regelmatig aan de heersende inzichten worden aangepast. Het ligt op de weg van de bedrijven, die gezamenlijk de waterindustrie vormen, deze taak op zich te nemen. Appendix A Toelichting op het gebruikte determinanten-model. Het waterverbruik o p een gegeven tijdstip t Y , is een functie van een aantal waterverbruik bepalende factoren Xi
i
Y , = a +
n Z bi.xi i = l =
a = een constante bi = parameter (wegingsfactor)
,
waarbij In de tijd A groeit Y, met A Ir,, i = n n Y, = z bi (A xi) i = l n xi = determinant Door te werken met determinanten in een dergelijke groei formule ontstaan eenvoudige lineaire vergelijkingen. Een waterverbruik bepalende factor xi zal, naar wij aannemen, volgens een exponentiele functie groeien. xi = (1 r) tx, en: A xi = rtx,
+
waarin r = accres per jaar t = tijd in jaren voorbeeld: accres tijd groeiwaarde = 3,25 % (per jaar) = 15 jaar = 61,6 % De algemene determinanten vergelijking luidt: A Y, = CY D(A) P D(B) y D(C) a D(D) E D(E) waarin CY t / m E parameters (wegingsfactoren zijn en D(A) t / m D(E) determinanten, resp. voor A wonen B verzorging C diensten D industrie E tuinbouw en veeteelt
+
+
+
+
+
Ieder van de 5 determinanten is opgebouwd uit onderdeterminanten. Bijvoorbeeld voor de sector wonen geldt: waarin D(A) = a ~ D ( p ) a2 D(q) b~ D(r) bz D(s) D(p) = determinant vooroorlogse woningen D(q) = determinant naoorlogse woningen D(r) = determinant waterbehoefte per vooroorlogse woning D(s) = determinant waterbehoefte per naoorlogse woning
+
+
+
IR. K. D. VENHUIZEN
Variatie in het waterverbruik per dag, per week en per jaar gekoppeld aan het bergingsvraagstuk ,,Uren, dagen, weken, jaren Vlieden door eel1 kelder heen" Mijn oprechte dank wil ik uitspreken voor de zeer waardevolle gegevens en suggesties, welke ik van vele bedrijven tnocht ontvangen. Twee van tnijn oud-tnedewerkers, de heren Hendriks en Blij, dank ik voor het vele reken-, teken- en denkwerk dat zij voor rnij hebben verricht. 1. Inleiding Het meten en bestuderen van de variatie van het waterverbruik in de tijd is BCn van de boeiendste onderwerpen, waaraan een waterleidingtechnicus zich kan wijden. Niet alleen is het onderwerp boeiend, doch in feite het fundament voor het ontwerpen van waterwinnings-, waterzuiverings- en watertransportinstallaties. In de waterketen van bron tot kraan voert elke capaciteitsbepaling allereerst tot de bepaling van het verbruikspatroon van het voorzieningsgebied. Het wisselende waterverbruik van uur tot dag, van dag tot week, van week tot jaar en door de jaren heen, heeft ons alles te vertellen over de huishoudelijke- en industriele activiteiten van de mens in dat voorzieningsgebied. Het vertelt ons hoe vroeg hij opstaat, hoe laat hij naar bed gaat en welk televisieprogramma hem interesseert. Duidelijk is ook het karakter van het voorzieningsgebied te herkennen, zoals een intercommunaal-, stedelijk- of recreatief gebied ons toont. De variatie in het weekverbruik geeft naast seizoensinvloeden duidelijk een beeld van de vakantieactiviteiten, terwijl de jaarvariaties ons iets vertellen over droge- of natte jaren, over economi-
sche opbloei of teruggang en over oorlog of vrede. Ter illustratie van het bovenstaande geeft afb. 1 een max. dagkromrne van Texel in het PWN-voorzieningsgebied met twee duidelijk van elkaar gescheiden pieken, welke blijkbaar samenhangen met strandbezoek. Afb. 2 geeft een dagkromme van
Amsterdam op 5 maart 1969, de dag waarop de wedstrijd Ajax-Benfica werd gespeeld. De duur van de wedkomt duidelijk tot uiting door vergelijking met de dagkromme van CCnweek tevoren. In afb. zijn voor de jaren 1908 t / m 1968 de max. en min. uurleveringen in het eigen distributiegebied van Amsterdam procentueel vergeleken met de gemiddelde uurleveringen, terwijl afb. 4 hetzelfde weergeeft voor de max. en min. daglevering in procenten t.0.v. de gem. daglevering voor de jaren 1896 t / m 1968. Tenslotte geeft afb. 5 voor Amsterdam in absolute waarden de max., gem. en min. daglevering in de jaren 1896 t/m 1968. De invloed van de
Afb. 1
slot vail pug. 16
De determinanten D(r) en D(s) zijn dan weer samengesteld uit nog meer andere determinanten bijvoorbeeld: D(r) = CxD(1) CzD(2) f C3D(3) C4D(4) f CsD(5) CsD(6) C7D(7) waarin D(1) = determinant gemiddelde woningbezetting D(2) = determinant sanitaire voorzieningen D(3) = determinant bestand ~waterverbruikstoestellen D(4) = determinant aansluitingen centrale warmwatervoorziening D(5) = determinant aantal auto's per 1000 inwoners D(6) = determinant aantal tuinen per 1000 inwoners D(7) = determinant waterbeschaving (correctiefactor) Tenslotte volgt de determinant voor het verbruik uit: D (verbruik) = pD (behoefte) -q D (prijs)
+
+
+
+
+
Literatuur
1. Report on a long-range forecasting study Rand Corporation, Santa Monica, California, USA. 2. Hueting, R. ESB 21 januari en 1 april1970. 3. De systematiek is ontleend aan: ,,The demand of electricity in the United States". A study in econometrics. C. Kaysen en F. M. Fischer, Cambridge (MIT en Harvard) 1962. 4. Warford, J. J. Hoofdstuk ,,Water Supply" in ,,Public Enterprice" edited by R. Turvey. Penguin Modem Economics X 59.
5. Biemond, C. ,,De toekomstige o~zt~vikkeli~zg van de waterleidingbedrijven". Water 49 (1965) p. 321 t/m 324. 6. Pen, J. Modeme Economie, p. 191. Aula-Boeken, UtrechtAntwerpen.
oorlogen 1914-1918 en 1940-1945 is daarin duidelijk te herkennen. -...- - --
-
vroensdag 26februar1 1969 woensdag 5 rnaart 1969
10
10
5
5
7
8 9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 i0 21 22 23 24 1
2
3 4
5
-
Afb. 2 Verloop van de uurlevering op 5 maart 1969, AJAX-BENFICA vergelekerz met 26 februari 1969.
Y.
'~11
MAXIMUM EN hjlNIMU!d wRLEtERlNG IN % V A GEMIODELDE SuRLmRlNG IN EIGEN DISTRIBIIIIEGEBIED
6
uren
(Radioverslag),
/
300
300
I
Afb. 3
Afb. 4 'I* 160
I
I
I
I
MAXIMUM DAGLEVERINGIN % VAN GEMIDDELDE DAGLEVERING IN ElGEN DlSTRlBUTlEGEBiED 1 I
MINIMUM DAGLEVER~NGIN VAN G ~ ~ I D D E L DDA~NERING E IN EIGEN DISlRlBUIlEGEBIED
1dW
I
I
1910
1920
I
l?30
I
I
I
I
I
190
19W
1950
1970
10
Speelt de variatie in het jaarverbruik meer een rol bij d e raming van de toekomstige waterbehoeften, waarover ir. van der Veen heeft gesproken, de dagelijkse- en wekelijkse fluctuaties binnen het jaar zijn een spel van waterproduktie en waterdistributie, waarbij de berging een belangrijke rol vervult nl. het afvlakken van het produktieproces. Daarnaast kan de reinwaterberging, welke bij voorkeur dicht bij het voonieningsgebied moet zijn gelegen, een belangrijke rol vervullen indien zich calamiteuze omstandigheden voordoen, zoals brandbestrijding, breuk van een transportaanvoerleiding of het uitvallen van de energievoorziening. Voor het afvlakken van de dagelijkse variaties in het waterverbruik kan daarbij gebruik worden gemaakt van reservoirs, welke op dagfluctuatie zijn ingesteld, terwijl het ook mogelijk is om deze variaties over een langere periode, bv. een week op te vangen in een grotere reservoirinhoud gebaseerd op weekfluctuatie. De keuze dagfluctuatie of weekfluctuatie in reinwaterreservoirs hangt van vele factoren af, doch zal met name een kostenvraagstuk zijn. Interessant is in dit verband te vermelden, dat de watervoorziening van Kopenhagen in 1965 een gemiddeld dagverbruik had van 260.000 m3jetm. terwijl de beschikbare reservoirinhoud toen 230.000 m3 bedroeg, hetgeen overeenkomt met bijna 90 % van het gem. dagverbruik. Contrasterend met dit beeld in de watervoorziening van Jerusalem, waar men in 1964 de beschikking had over een dienst-reservoirinhoud van 128.750 m3 (waaman 100.000 m3 als open reservoir uitgevoerd) en een privb-reservoirinhoud van 250.000 m3. Bij een jaarverbruik van 12,s milj. m3 komt deze reservoirinhoud van 378.750 m3 overeen met een voorraad van circa 11 etm., welke in nauwe relatie staat tot klimatologische omstandigheden. Tot slot van deze algemene inleiding nog een enkel woord over het meten van het waterverbruik als zodanig. Aangezien het verbruikspatroon maatgevend is voor de dimensionering van dure kunstwerken. behoeft het nauwelijks betoog dat de metingen zo uitgebreid mogelijk en zo nauwkeurig mogelijk dienen te geschieden. Veelal nog onbekende factoren in het waterverbruik, zoals bv. lekverliezen
bij onbemeterde voorzieningsgebieden, vragen om een grondig onderzoek. Voorts dient het meten te geschieden met meetinstrumenten, welke een zo klein mogelijke procentuele fout bezitten. 2. Literatuur Hoewel over het onderwerp ,,variatie in het waterverbruik en het begingsvraagstuk" door mij geen uitgebreid literatuuronderzoek is verricht, zijn een aantal belangrijke studies in dit verband te noemen. Op het IWSA-congres 1955 te Londen heeft de Zweed Hilding Bjorkland in zijn generaal rapport, getiteld ,,Design and construction of service reservoirs and towers", 0.a. mededeling gedaan over de watervoorziening van Stockholm. Daarin heeft hij een grafiek getoond, zoals aangegeven in afb. 6. In deze grafiek is op de verticale as uitgezet de verhouding topdag/topcapaciteit in procenten en op de horizontale as de verhouding reservoircap./topcapaciteit, eveneens in procenten. Met topcapaciteit bedoeld hij het maximale vermogen van de produktiewerken per etm. Vervolgens toont hij een grafiek, zoals aangegeven in afb. 7, waarin t.0.v. dezelfde procentuele verdeling als op de horizontale as van afb. 6, op de verticale as staat weergegeven de verhouding A W / A R, waarin A W de capaciteitsuitbraiding in m3/etm. van de werken voorstelt en A R de capaciteitsuitbreiding van de reservoirs in m3. Daarbij zijn de eenheidsprijzen resp. gesteld op a. Kronen per m3/ etm. aan werken en b. Kronen per m3 aan reservoirinhoud (a. = 250 en b. = 100). De minimum totaalkosten worden dan fblijkbaarbereikt indien a. A W = b. A Rdus A W / A R = 0,4 Tabellarisch geeft Bjorkland de resp. kosten van werken en reservoirs alsook de totaalkosten weer, zoals deze
, m3 mmo
soo om
lw
0
Afb.
1955, staan in tabel I. Door een rekenfout Afb. 6 - (3e IWSA Congres-~or~den zijnerzijds worden de werkelijke mini- bb. 200). mum totaalkosten niet gevonden bij 40 % reservoircap. doch bij 50 % reservoucap., hetgeen in het gegeven 2 voorbeeld neerkomt op 45 % reservoirinhoud t.0.v. de max. daglevering ,m en dus een vrij hoge waarde is. Toch zijn er tegen de gevolgde methode we1 bedenkingen aan te voeren. Dat blijkt nl, duidelijk uit de onderste grafiek van afb. 7. Worden er betrekkelijk goedkope reservoirs gebouwd, waarvan mogelijk de onderhoudskosten hoog zijn, dan zal het minimum aan totaalkosten *I. meer naar rechts schuiven. Worden er top UP d.e.t. betrekkelijk dure reservoirs gebouwd, waarvan mogelijk de onderhoudskosten laag zijn, dan zal het minimum aan totaalkosten meer naar links schuiven. De naar mijn mening enig juiste me- Afb. 7 - 3e W S A Coi~gres-Londen1955). thode is om de investeringen aan werAW ken en reservoirs, gesplitst naar levensbR duur, door middel van de methode 2.8 van rente en afschrijving uit te druk26 211
TABEL I Leverings Percentage Werken cap. res. cap. cap. kosten ms/etm. % m3/etm. in kr. 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000
*
0 10 20 22 30 40 50 60 70 100
153.840 122.450 103.730 100.000 96.890 93.280 90.090 87.710 85.910 81.960
minimum totale kosten
38.460.000 30.612.500 25.932.500 25.000.000 24.222.500 23.320.000 22.522.500 21.927.500 21.477.500 20.490.000
Reservoirs cap. kosten m3 in kr. 0 12.245 20.746 22.000 29.067 37.312 45.045 52.626 60.137 81.960
0 1.224.500 2.074.600 2.200.000 2.906.700 3.731.200 4.504.500 5.262.600 6.013.700 8.196.000
16
Totale kosten in kr. 38.460.000 31.837.000 28.007.100 27.200.000 27.129.200 27.051.200 27.027.000* 27.190.100 27.491.200 28.686.000
12
08
a4 o
o
m
a
81
lli
rn
--
120 iu)% R t s rap TT
ZzS
-
w
,
I
Afb. 9 - Verbruiksmodulatie, aanvoer en voorraad. De aanvoercapaciteiten zij zo gekozen dat met een reinwaterberging van 15 % van het etmaalverbruik kan worden volstaan. I
1
Afb. 8
ken in ct./m3 en daar dan bij op te tellen de kosten in ct./m3 aan energie, onderhoud, bediening enz. Ik kom daar in het verloop van de les nog nader op terug. Interessant is ook een artikel van Eberhard Miiller in ,,Gas und Wasserfach" van 4 maart 1960, over de ,,Neue Reinwasserbehalter der Hamburger Wasserwerke". Daarin beschrijft hij de weekfluctuaties in de reservoirs van het bedrijf Baurs-Berg, we&e een inhoud hebben van 7 % van het weekverbruik. Bovendien is op het laagste reservoirpeil, dat op zaterdagmiddag valt, altijd nog een reserve-voorraad voor storingen aanwezig van circa 19.000 m3 water. I n de 17e Vakantiecursus in Drinkwatervoorziening van januari 1965 geeft ir. Biemond, in zijn les ,,Enkele speciale vraagstukken van ondergrondse voorraadvorming", een vergelijkende becijfering tussen een transportsysteem met reservoirs gebaseerd op resp. dagfluctuatie en weekfluctuatie. Indien de transportafstand tussen wiagebied en voorzieningsgebied voldoende groot is, blijkt een reservoirinhoud op basis van weekf luctuatie kostenbesparend te zijn. 3. Studie bij Gemeentewaterleidigen Amsterdam In de afgelopen 5 jaar is bij Gemeentewaterleidingen Amsterdam veel studie verricht ter analysering van het verbruikspatroon en bestudering van het bergingsvraagstuk. Aanleiding daartoe was in eerste instantie het afvlakken van het produktieproces. Met name was het streven erop gericht te
komen tot een constant nafilterbedrijf, dat daarmee ten zeerste is gediend. Bij nadere bestudering bleek het vraagstuk echter niet alleen filtertechnische kwaliteiten te hebben, doch ging het accent meer en meer in de richting van financieel-economische aspecten. Hoewel de studie nog niet geheel is afgerond, zijn de thans beschikbare gegevens bepaald hoopgevend voor de toekomst. In de nu volgende paragrafen zal deze studie nader worden besproken. 3. H e f topdagenonderzoek Als eerste studie betreffende het bergingsvraagstuk is voor het eigen voorzieningsgebied van Amsterdam over de jaren 1955 t/m 1964 een onderzoek verricht naar het verbruikspatroon van 25 topdagen (zie afb. 8). Daaruit zijn een aantal interessante gegevens naar voren gekomen nl.: 1. de verhouding topverbruik/gem. dagverbruik varieerde van 120,O % tot 142,7 % met een gemiddelde waar1961 1964
ma 115,s 115,l
di 106,3 107,O
wo 103,4 104,O
de van 131 %; 2. het theoretisch benodigde bergingspercentage varieerde van 18,O % tot 23,7 % met een gemiddelde waarde van 21,l %, alles t.0.v. de gemiddelde daglevering. Indien dit bergingspercentage grafisch wordt uitgezet tegen het topdagpercentage, dan blijkt de spreiding rondom een met de methode van de kleinste vierkantjes geconstrueerde rechte lijn bizonder gering te zijn. Rekening hondend-e met het hoogste
bergingspercentage van 23,7 %, behorende bij een 133,2 % topdag, is het meest veilige theoretische bergingspercentage voor een 150 % topdag te stellen op 23,3 % (zie Stockholm). Het veel gehanteerde pralctische bergingspercentage ad 25 % van de max. daglevering lijkt volgens deze becijfering we1 erg krap, aangezien de onwetendheid over de te verwachten topdag groter is dan 1,7 %. Om deze onwetendheid te kunnen benaderen zijn de jaren 1961 en 1964 statistisch bewerkt door bestudering van de procentuele verdeling van de dagen in de week - lopende van maandag t/m zondag - waarbij het gemiddelde dagverbruik in de week op 100 % is gesteld. Daarnaast zijn de weeksommen procentueel vergeleken met het gemiddelde weekverbruik per jaar. Daaruit zijn de volgende gegevens ontstaan: 3. in de jaren 1961 en 1964 waren de percentage voor maandag t/m zondag a.v. 103,6 105,2
106,s 107,3
87,s 85,3
77,3 76,3
% %
4 . frequentieverdelingen van deze percentages geven aan, dat de relatieve fout circa 7,5 % bedraagt, welke boven de theoretische berging een extra berging vraagt. 5. het maximum weekverbruik ligt globaal 15 % hoger dan het gemiddeld weekverbruik. Om deze redenen lijkt een praktische berging van 113 deel van het max. dagverbruik ad 150 %, overeenkomende met het in voorraad hebben van een halve gemiddelde dag, noodzake-
TABEL I1 - Totaal Leiduin
+ Weesperkarspel + Hilversunz % dag
jaar
% dag
1946 1947 1948 1949 1950 1951 1952 1953 1954 1955 1956 1957 1958 1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 totaal gemiddeld
130,6 145,O 136,3 135,6 14Q,5 122,9 134,5 133,8 129,4 135,O 127,s 143,7 133,8 142,l 136,l 135,l 139,s 137,l 133,3 126,3 132,9 124,9 128,6 3085,l 134.1 %
1 dag later
datum 4 juli 3 iuni 30 juli 5 sept. 5 juni 18 juni 7 juli. 29 juni 10 mei 22 aug. 7 mei 17 juni 16 juni 9 juli 9 mei 5 juni 18 juni 10 juni 25 mei 21 juui 10 juni 6 okt. 26 aug.
118,3 126,3 105,4 118,l 136,7 119,3 127,7 132,4 126,7 131,O 115,8 140,7 114,O 114,l 126,5 123,7 114,O 117,7 119,5 110,8 104,O 103,4 117,2
lijk ter verkrijging van een constante aanvoer per uur. Uiteraard is dit cijfer sterk afhankelijk van de grote plaatselijke verschillen in het verbruikspatroon en aanvoerpatroon. Voor het district Hoofddorp van het PWN is bij een niet constante aanvoer per uur een bergingscapaciteit van 15 % van het etmaalverbruik voldoende, zoals blijkt uit afb. 9. Zou de aanvoer in dit geval constant zijn geweest, dan zou de benodigde berging 21,6 % moeten bedragen, welk cijfer dan goed overeenkomt met het theoretische bergingscijfer van Amsterdam. Hoe sterk een topdag in het door Amsterdam bediende gebied aan de maandag is gebonden, moge blijken uit tabel 11. Met een enkele onderbreking in 1959 zijn van 1949 tot 1966 de topdagen steeds op msandag gevallen. Daarin komt de laatste jaren echter enige verandering, zoals blijkt uit de jaren 1966 en 1967. Mogelijk is het toenemend gebruik van was- en afwasmachines daaraan niet vreemd. Het is ook om die reden dat door mij een enquete is gehouden, waarin een 25-tal betrelckelijk willekeurig gekozen bedrijven van Nederland zijn vertegenwoordigd. De uitkomsten van deze enquCte zijn in tabel I l I weergegeven. Voor de jaren 1966, 1967 en 1968 zijn daarin vermeld de data van de topdagen, de betreffende dag in de week alsmede het topdagpercentage en
weke dag donderdag disdag vrijdag maandag maandag maandag maandag maandag maandag maandag maandag maandag maandag donderdag maandag maandag maandag maandag maandag maandag vrijdag vrijdag maandag
het bergingspercentage t.0.v. de gemiddelde dag. Uitdrukkelijk zij hier gesteld dat doze enquete slechts een globaal beeld kan geven van de onderzochte bedrijven. Een en ander hangt nl. nauw samen met het te voeren produktieregime en het verbruikspatroon van het voorzieningsgebied, waarin plaatselijk sterke verschillen kunnen bestaan. Ook zijn sommige verschillen te verklaren uit de aanwezigheid van meegetelde eigen berging bij grote industrieen. Uit deze enquete zijn enige opmerkelijke punten te noemen: 1. in 1966 hadden zeer veel bedrijven omstreeks 10 juni een topdag
(of was het vanwege de vrijdag hier mogelijk een ,,tobbe-dag"?). 2. in 1968 vie1 het merendeel van de topdagen op maandag en hadden een 8-tal bedrijven langs de oostgrens van Nederland eenzelfde topdagdatum op 22 april. 3. Haarlem en het PWN ,,bespreken" hun topdag blijkbaar van tevoren, hoewel ook Maastricht mogelijk in het ,,gesprek" deelt. 4. de topdagpercentages varieerden in genoemde jaren van 119 % tot 227 %. 5. de bergingspercentages varieerden van 21 % tot 156 %. Overigens blijft hier van toepassing hetgeen Hilding Bjorkland op het IWSA-congres van 1955 in dit verband aanhaalde als een uitspraak van C. A. Risbridger op het Parijse congres van 1952: ,,it ,is rather surprising to find such wilde variations in practice not only throughout the whole of the territory covered by the contributors to this subject, but also within some individual countries. I t is certainly interesting to record that no undertaking has volunteered the information that its present capacity has proved to be inadequate". Hoewel het topdagenonderzoek ons veel informatie kan verschaffen over de mogelijke datum en de procentuele grootte t.0.v. het gemiddeld dagverbruik, de theoretisch mogelijke waarde en de kans van overschrijding daarvan kan worden gevonden door het tekenen van een frequentieverdeling van het waterverbruik op waarschijnlijkheidspapier. Zo heeft ir. van Nes in het jaarverslag
Afb. 10 I
1963 van de NV Waterleidingmaatl82.5L'l. rnax qemeten 15-9'63 180 schappij ,,Drenthe9' een dergelijke I I I I I I I I I I I GdldLetde uurdering ii% over 25 topdagen vanaf 1955t1m 1964 frequentieverdeling laten opnemen, welke staat weergegeven in afb. 10. De gemiddelde overschrijdingskans estileerd v e r b ~ i per jaar over de periode 1958 tlm 1962 staat daarin uitgezet tegen het waterverbruik per etmaal en per 7daagse som in relatie tot het voortschrijdend gemiddeld jaarverbruik. Een 1-malige overschrijding per jaar leidt aldus tot een topdagpercentage van 139 % en een topweekpercentage van 129 %. Bij een l-malige overschrijding per 10 jaar zouden deze percentages resp. bedragen 155 % en 142 %. Hieruit blijkt duidelijk dat de keuze van overschrijdingskans een aanmerkelijke invloed heeft op de te investeren bedragen aan winnings-, uur 07 08 W 10 11 12 n 14 15 I6 I7 I8 l9 20 21 22 23 24 01 02 03 04 05 06 07 zuiverings- en transportmiddelen. Evenzeer blijkt er het verschil uit tus- Afb. 11 sen topdagpercentage en topweekpercentage, waarop in de volgende para- mule voor berging bij constante uur- centage als instelwaarde en een bepaalde kelderinhoud. Daarbij kan grafen nader zal worden terugge- aanvoer in de dag: tevens rekening worden gehouden met komen. jaarverbruik . 1,s berging = . 800 % een eventuele correctie van de vorige dag. Er blijkt bv, uit, dat bij een in3.2 Constante uuraanvoer in de dug 365 .24 stelwaarde van 125 % nog een aanen de berging jaarverbruik voerafwijking van of - 10 % moUit de in 3.1 behandelde verbruiksgelijk is bij een keldervulling van patronen, zoals die in afb. 8 zijn getekend, is een gemiddeld verbruiks- welke waarde neerkomt op een halve 600 % van de max. mogelijke uuraanpatroon samengesteld waarvan afb. 11 gemiddelde dag aan voorraad, het- voer. een beeld geeft. Er blijkt uit dat van geen ook onder 3.1 werd gevonden. Is 3.3 Constante dagaanvoer in de week 7-20 uur het verbruik boven het ge- het topdagpercentage lager dan 150 %, en de berging dan is ook het benodigde bergingsrniddeld uurverbruik in de dag ligt en In hoofdstuk 3.2 is er van uitgegaan, van 20-7 uur daar beneden. Met dit percentage evenredig lager. verbruikspatroon, behorende bij een Ter illustratie van wat voor de prak- dat de reservoirs zijn ingesteld op berekend topdagpercentage van tijk mogelijk is geeft afb. 12 een beeld dagfluctuaties d.w.z. e k e dag een peil131 %, is het linker gedeelte van tabel van de bepaling van de toelaatbare variatie ondergaan tussen max. en IV samengesteld, waarbij de constan- marge van het waterverbruik, beho- min. peil. Het is echter ook mogelijk te uuraanvoer op 100 % is gesteld. rende bij een bepaald geschat dagper- de toevoer van water naar de reserUit de tabel blijkt dat deze constante Afb. 13 - Waferleven~tg en waterverbruik uuraanvoer slechts mogelijk is, indien 12 - Maxinncn~toelaatbarn hoger ($) Leiduin-Amsterda~n via kelders varz Hallom 7 uur een theoretische berging van Afb. of lager (-) verbruik per etntaal in % t.0.v. straat en Amstelveenseweg (genliddeld waar514,39 % van de uuraanvoer aanwe- de aanvoer. den van 4 weken in t~zaart1969). zig was. Na 20 uur moet deze verbruikte berging weer worden opgevuld. Aangezien voor de beschouwde periode 1955-1964 het max. topdagpercentage op 150 % is gesteld, is de theoretisch benodigde berging bij een 150 % topdag te stellen op 150/131 .514,39 = 589 % (op 11 mei 1959 is een gemeten waarde bereikt van 569 %). Ter bepaling van de praktisch benodigde berging is aangenomen, dat een mogelijke afwijking van 10 % van het geschatte dagverbruik kan optreden, waardoor de praktische (veilige) berging overeenkomt met 589 240 = 829 % van de constante uuraanvoer. Met enige afronding komt deze berging overeen met de praktische for-
+
+
voirs zo te doen plaatsvinden, dat de aanvoer over de gehele week constant is en alleen van week tot week wijzigt. Uiteraard vraagt dit een grotere reservoirinhoud, welke in dit hoofdstuk zal worden gedimensioneerd. Dat deze aanvoer in de praktijk allerminst constant is bij reservoirs ingesteld op dagfluctuatie blijkt duidelijk uit afb. 13, waarin als gemiddelde waarden van 4 weken in maart 1969 de verbruiksfluctuaties, de aanvoerTABEL IV
fluctuaties en de reservoirfluctuaties zijn weergegeven voor de toevoer van duinwater naar de distributiepompstations aan de van Hallstraat en de Amstelveenseweg. De getekende gemiddelde aanvoer van afb. 13 is in afb. 14 nog eens opnieuw weergegeven, om de uiterste waarden binnen de genoemde 4 weken tot uitdrukking te brengen. Belangrijk bij de bepaling van de benodigde reservoirinhoud gebaseerd
- Bereker~ir~g~r~ir~irrzzi~rz bergir~girl
gebaseerd op weekfluctuatie is het verbruikspatroon van de dag in de week. Voor ons rekenschema is aangehouden de procentuele dagverdeling van het jaar 1961, zoals deze in hoofdstuk 3.1 is vermeld. In dit verband moet er we1 op worden gewezen, dat een dergelijke procentuele verdeling aan wijziging onderhevig kan zijn en regelmatig dient te worden bestudeerd. Zo geeft afb. 15
% varl de corzstarlte ziuraarlvoer per dag en per week
benodigde berging bij constante aanvoer per dag
duidelijk aan, dat de stad Amsterdam aan het ,,vervlakkenWis. De 5-daagse werkweek heeft een tendens tot het gaan naar eenzelfde percentage, terwijl hetzelfde met de weekend-dagen het geval is. Evenzeer is het belangrijk de weekvariatie in het jaar te bestuderen, om daaruit het max. weekverbruik vast te kumen stellen (zie ook 3.1). In ons rekenschema is aangehouden een max. weekpercentage van 120 %
(in de week van 26-6 t / m 2-7 van 1961 is een waarde van 116,2 voorgekomen). De weekvariaties zijn bovendien nog eens weergegeven in afb. 16 voor 1967 en in afb. 17 voor 1968 en tonen aan, dat de variaties zich zelfs beperken tot 10 %. Met de bovengenoetnde gegevens is het rechter gedeelte van tabel IV samengesteld en is de theoretisch benodigde berging te becijferen op 1322,19 % van de constante uuraan-
benodigde berging bij constante aanvoer per week
voer, behorende bij een berekend weekgemiddeld percentage van 112,7 %. Voor een 120 % week is de theoretische ,berging dus 120/ 112,7 . 1322,19 % = 1407,8 % van de constante uuraanvoer. Met elk % hoger of lager weekverbruik is een hoeveelheid gemoeid van 168 % van de constante uuraanvoer. Daar de berging t.g.v. de verbruiksvariatie op vrijdag minimaal is, kan echter worden volstaan met een hoe-
-
Afb. 14 Waterverbruik Leiduirt-Amsterdam in kelders vmt Hallstraat en Amstelveenseweg.
Afb. 16 - Tijdlijn van het waterverbruik per week i n eigeil distributiegebied in weekgentiddelde in het jaar 1967.
veelheid van 517.168 % = 120 % van de constante uuraanvoer. Bij een aangenomen afwijking van 5 % is dus een extra berging noodzakelijk van 600 %, waardoor k t praktische bergingspercentage op rond 2000 % van de constante uuraanvoer komt.
welke waarde neerkomt op een gemiddelde dag aan voorraad. Is het weekpercentage lager dan
120 %, dan is ook het benodigd bergingspercentage evenredig lager. Een constante aanvoer per week vraagt dus in ons voo~beeldvan Amsterdam een verdubbeling van kelderinhoud t.0.v. een constante aanvoer per dag. Daar staat tegenover dat het leveringsvermogen van zuiverings- en transportmiddelen is vergroot met een factor 1501120 = 1,25, terwijl de constantheid invloed heeft op de jaarlijkse kosten. Een vergroting van 25 % van de capaciteit kan dus worden gerealiseerd door uitbreiding van de winmiddelen in de prise d'eau en van de berging in het voorzieningsgebied. Een enkel woord over het type reservoirs is hier we1 op zijn plaats. In afb. 18 is weergegeven het verbruiks-
Afb. 15 - Waterverbruik in eigen distributiegebied van elke dug in de week in % t.0.v. het daggemiddelde in het jam (= 100 %). Periode 1961 t / m 1968.
Afb. I7 Tijdlijn van het waterverbruik per week in eigen distributiegebied in % f.0.v. het weekgemiddelde in het jaar 1968.
Dit bergingspercentage komt overeen met de formule voor berging bij constante dagaanvoer in de week: jaarverbruik . 1,2 berging = .a000 % 365 .24 jaarverbruik -
365
q' t.0.v. het
patroon in het voorzieningsgebied van Amsterdam van het gemiddelde van 4 willekeurige aaneensluitende weken in 1968. Uitgaande van een constante aanvoer per week en sen reservoirinhoud gebaseerd op weekfluctuatie is in afb. 19-boven de reservoirfluctuatie bepaald met een beginvulling, welke 75 % bedraagt van de totale reservoirinhoud. Deze beginvulling kan niet 100 % zijn om de mogelijkheid open te houden een 3 % lager verbruik dan was geraamd nog aan het einde van de week te kunnen bergen. Ook mag deze vulling niet geringer zijn om een 3 % hoger verbruik dan was geraamd nog te kunnen leveren op vrijdag. De genoemde ruimteresersering bij meer of minder .afname
-
weekverbru~k 1961 1968 -gerniddeld weekverbrulk 1958 -
moet dus in beginsel aanwezig zijn om weekfluctuatie mogelijk te maken. Een schattingsfout in het weekverbruik van 3 % blijkt dan haalbaar. In afb. 19-onder zijn de bijbehorende verblijftijden in de reservoirs berekend en wordt een waarde van 24 uur niet overschreden. Hoewel deze max. verblijftijd voor de meeste bedrijven geen probleem zal opleveren, zal een bedrijf dat oppervlaktewater produceert er goed aan doen de reservoirs als doorstroomreservoirs uit te voeren, waarmee de kans op ,,dood" water en/of nagroei wordt verrneden.
1
H-lheid x,
1
m a
1soa
o 7Dr)17l3r)19RSl 7~1917BB17Bl917B!317 TCTC+! cksd24 3esd6q \nidag latadq 2ondq
hid
h?
4. Energie- en kostenvraagstuk
-
Afb. 18 - Doorstroomreservoirs bruik-spafroon. Afb. 20
- -
Zoals in hoofdstuk 2 a1 is uiteengezet bij de bespreking van het Stockholm-
- Ei~ergieverbrrtikbij variar~t-en constant trar~sport.
voorbeeld, speelt het kostenvraagstuk een belangrijke rol bij de bepaling van de meest gewenste reservoirinhoud. Als onderdeel van dit kostenvraagstuk is het energieverbruik van belang en zal daarover in de volgende paragraaf een korte uiteenzetting worden gegeven.
4.1 Energieverbruik en berging Dat bij enige transportafstand tussen het zuiveringsbedrijf en het voorzieningsgebied er een nauw verband bestaat tussen berging en energieverbruik behoeft geen betoog. In deze paragraaf is uitgerekend in welke verhouding het energieverbruik bij een berging nu1 staat t.0.v. het energieverbruik bij een berging, welke op een constante uuraanvoer in de dag is afgestemd. Dit energieverbruik per tijdseenheid is in afb. 20 afgeleid en geeft de algemene f ormule:
Over het etmaal is het energieverbruik dan 24 A . q 0 3 24 ZE,=. Z: a,3 0 F2 0 In afb. 20 is bovendien een willekeurig verbruikspatroon van Amsterdam getekend en is van uur tot uur het verbruik in procenten uitgerekend. Indien er bij het voorzieningsgebied geen berging aanwezig is, zal het watertransport door de leidingen het waterverbruik in de stad op de voet moeten volgen. Met de genoemde formule is dan uit
-
Afb. 19 Doorstroornreservoirs. Reservoirvulliizg en verblijjtijd.
v, = stroomsnetheid q, = kwantum per tijdseenheid qo = constant kwantum per tijdseenheid binnen 1 etmaal E, = energieverbruik op tijdstip t h, = energiehoogte F = transportoppervlak A = constante
h,
=
A . vtz
9, = V,
Stel
.F dus E,
q, =
a,
=q,
. qo dus E,
A
.
. ht
=- q 3
=
-. at3
FZ
A
.so3
FZ
24 A . q03 24 dus E: E, = - Z at3 dus
(
.
0
Fz
' 0
(
Et)variant
24
0
(
0
' 0
at3)variant
24 Et)eonstant
('
0
40
- - = 1,67 24 at3)constant
b. energieverbruik bij winning, zuivering, transport en distributie; c. bedieningskosten van de installaties; d. onderhoud van terreinen, gebouwen, installaties, leidingen enz.; e. exploitatiekosten; zoals filterschoonmaak, filtermateriaal, chemicalien. Het is niet mijn bedoeling a1 deze bouwstenen van de kostprijs hier uitputtend te behandelen. Ir. Knoppert Afb. 21 - BeY~zvloedirzg waterprijs per n13 zal daarover in zijn les stellig uitvoeribij gelijkblijvelld filterbedrijf c.a. ell toener?zerlde kelderillhoud t.g.11. rerzte en af- ger zijn. schrijvirlg (6 qr50 jaar) (e.~ploitatiekoste~l Voor de afronding van mijn betoog zijrl bztitell besclzortwi~lggelaterl). is een begroting van de kostprijs als functie van de berging echter onontbeerlij k. te rekenen dat I n het voorbeeld van afb. 21 heb ik A . qo3 24 mij evenwel beperkt tot de bei'nvloeZ E,=.40 ding van de waterprijs per d door F2 0 alleen rente en afschrijving. Wordt daarentegen nabij het voorzie- Uitgaande van een bedrijf met een ningsgebied zoveel reservoirinhoud jaarcapaciteit van 9 milj. mY (1000 gebouwd dat de uuraanvoer de gehele m3/uur) bestaande uit dag constant is, dan is het energiever1 ruwwaterpompstation; bruik 1 v66rfilter; 24 A . qo3 1 nafilter Z E,=.24 1 reinwaterpompstation; 0 F 2 1 transportleiding van ca. 30 km. Uit deze becijfering blijkt dat een is voor een rentevoet van 6 % en een uuraanvoer in de dag 67 % minder afschrijvingstennijn van 50 jaar een energieverbruik vraagt dan een aan- globale becijfering gemaakt van de voer, welke zonder berging fungeert. kostprijs bij een berging aan het einBergingsvergroting is dan ook altijd de van de transportleiding van resp. energiebesparend. J J J De voorgaande beschouwing kan in- - - en - (J = jaarcapaciteressante aspecten bieden bij de leve885' 730 365 ring van water aan grootverbruikers teit) via een reservoir, ook a1 is het water- Uit de afb. blijkt, dat een vergroting verbruik van deze grootverbruiker J J constant in het etmaal. van de berging van - naar Vindt de voeding van het reservoir 885 730 van de grootverbruiker nl. uitsluitend kostenverhogend werkt, om daarna plaats gedurende de nachturen (ener- flink te dalen bij een berging gebagiekosten dan laag), dan zal daarvoor seerd op weekfluctuatie. in principe het verbruikspatroon van de stad ten gunste worden be'invloed Het kostprijsverschil tussen het beginen zal energiebesparing het gevolg en eindpunt van de grafiek bedraagt in het gegeven voorbeeld 0,86 cent/ zijn. m3. Een bijkomstig groot voordeel is de Tenslotte nog een enkel woord over onderbroken levering aan de grootde andere kostenfactoren: verbruiker via een reservoir. ad. b zoals in 4.1 is uiteengezet zal het energieverbruik afnemen bij 4.2 Het kostenvraagstuk en de toenemende berging en dus kostenbeberging sparend zijn; Het is na bestudering van de voorgaande hoofdstukken we1 duidelijk, ad. c de installaties v66r de berging zullen minder flcctueren bij verdat het bergingsvraagstuk nauw vergroting van de reservoirinhoud en dus bonden is met de kostprijs. een besparing aan bedieningskosten Dezc kostprijs is opgebouwd uit: geven; a. rente en afschrijving van de ge- ad. d het onderhoud aan gebouwen investeerde bedragen; en installaties zal bij de win-
ning en zuivering mogelijk een afname, doch bij de berging een toename van kosten kunnen geven; ad. e een constanter bedrijf zal 0.m. minder nafilterschoonmaak vragen en als zodanig kostenbesparend zijn in de exploitatie. Ongetwijfeld zullen de genoemde factoren meer of minder gewicht in de schaal leggen en van geval tot geval moeten worden bekeken. Het is echter naar rnijn stellige overtuiging van grote waarde een onderzoek in te stellen naar de mogelijke kostenbesparing, welke door vergroting van de reinwaterberging bij of binnen het voorzieningsgebied is te bereiken. Een totale kostprijsbesparing van mogelijk 1 centlrnz op een bedrijf met een jaarcapaciteit van 100 milj. m3 levert per slot een jaarlijkse besparing van 1 milj. gulden op, welke de moeite van het overdenBen waard is.
5. Conclusies Met de volgende conclusies is de inhoud van deze les over het verbruikspatroon en de waterberging samen te vatten: 1. Onder het motto ,,meten doet weten" is een zo uitgebreid mogelijk meetprogramma van bron tot kraan noodzakelijk voor een zo gedifferentieerd mogelijk onderzoek naar het waterverbruik. Daarbij moet aan de meettechniek de hoogste graad van nauwkeurigheid worden toegekend. 2. De bestudering van het waterverbruik dient regelmatig te geschieden om wijzigingen in het patroon vast te stellen en ,,koerscorrecties" aan te brengen. De koppeling aan het bergingsvraagstuk is daarbij fundamenteel. 3. De meest economische waterberging dient te worden vastgesteld aan de hand van de totale kostprijs per m3, waarin rente, afschrijving, energie, bediening, onderhoud en exploitatie zijn verdisconteerd. Berging op basis van weekfluctuatie is een nadere bestudering alleszins waard. 4. Daar de kostprijs parameter is voor de bepaling van de meest economische waterberging, is een goede nacalculatie van eminent belang voor het verkrijgen van betrouwbare cenheidsprijzen. Deze eenheidsprijzen dienen te worden samengesteld in een nauwe samenwerking tussen financiele-, bouwtechnische- en bedrijfstechnische krachten.
[R.C. VAILLANT International Courses in Hydraulic and Sanitary Engineering, Delft
Produktievermogen en bedrijfszekerheid Wanneer men de gang van zaken bij het ontwerpen van een waterzuiveringsinstallatie nagaat, komt men spoedig tot de conclusie, dat het ontwerpende team - verder te noemen: de ontwerper - niet alleen over grote kemis en ervaring, een gezonde visie en voldoende creatief vermogen moet beschikken, maar evenzeer over eigenschappen, welke het in staat stellen om uit de vele mogelijkheden en combinaties van mogelijkheden een aantal reele alternatieven te destilleren, welke een nader onderzoek waard zijn. In de verschillende fasen van het (voor)ontwerp zal de ontwerper zich een schema als weergegeven in afb. 1 min of meer bewust voor ogen houden. Het schema toont een aantal aspecten en factoren, welke bij elk ontwerp een rol zullen spelen. De moeilijkheid voor de ontwerper is, dat de factoren elkaar onderling sterk kunnen beinvloeden. Waterverbruik (verbruikspatroon), ,,design period" (het tijdvak, dat verloopt tot de volgende uitbreiding in bedrijf is gesteld), produktievermogen en bedrijfszekerheid zijn daarvan voorbeelden. Bij het afwegen van voor- en nadelen en het zoeken naar een aanvaardbaar compromis zal men uiteraard streven naar optimalisering. In alle gevallen zal men daarbij ook het beleid op wat langere termijn moeten betreltken. Men zal tevens trachten te onderzoelten hoe de verschillende oplossingen zich zullen gedragen, indien in de toekomst de omstandigheden zich eens zouden wijzigen. Soms zal men dan de voorkeur geven aan een oplossing, welke een betrekkelijk vlakke optimaliseringskromme vertoont, boven een oplossing, welke alleen in een beperkt gebied optimale resultaten levert, doch daarbuiten snel ongunstiger wordt, m.a.w. men kiest dan binnen het raam der mogelijkheden de oplossing, welke ook bij veranderde omstandigheden niet te ver van het theoretisch optimum verwijderd is. Bij de optimaliseringsprocedure wordt zoveel mogelijk gebruik gemaakt van quantitatieve gegevens en veronderstellingen. Een van die quantitatieve gegevens is het produktievermogen van de installatie. Er zal evenwel slechts weinig van het optimaliseringsprincipe terechtkomen, wanneer de ontwerper bij het bepalen van de afmetingen van de te bouwen installatie een zodanige veiligheidsmarge in acht neemt, dat de feitelijke produktiecapaciteit in de praktijk, zelfs bij een redelijke mate van bedrijfszekerheid, enige tientallen procenten hoger blijkt te liggen dan het produktievermogen, waarvoor de installatie is ontworpen. Het gevolg van een dergelijlte overdimensionering zal zijn, dat de berekende optimaliseringskromme niet meer representatief is voor het betreffende ontwerp. De kans, dat de juiste keuze uit de beschikbare alternatieven wordt gedaan, neemt aanzienlijk af. Niemand zal bezwaar hebben tegen het in achtnemen van een redelijke veiligheidsmarge, doch er dient te worden gewaakt tegen accumulatie van veiligheidsmarges en
veiligheidsfactoren. Produktievermogen en bedrijfszekerheid dienen dan ook aanvankelijk afzonderlijk te worden geanalyseerd en pas in een later stadium van het ontwerpproces op elkaar te worden afgestemd. Alleen op deze wijze zal een harmonieus ontwerp tot stand kunnen komen. In het volgende zullen enige aspecten van produktievermogen en bedrijfszekerheid worden behandeld.
1 . Produktievermogen Onder produktie van drink- en/of industriewater wordt over het algemeen verstaan het systeem van handelingen, dat erop gericht is het ruwe water te wimen en daarna zodanig te bewerken, dat het geschikt is voor aflevering aan de verbruikers. Water is pas gereed voor aflevering aan de verbruiker, wanneer het behalve aan zekere kwaliteitseisen ook nog voldoet aan de eis van voldoende druk. Dat behalve de waterwinningsmiddelen en de zuiveringsinstallatie ook het hogedruk pompstation tot de produktie-installatie wordt gerekend is daarom alleszins begrijpelijk. Doorgaans wordt evenwel ook de reinwaterberging, voorzover deze op het terrein van de zuiveringswerken is gelegen, tot de produktie-installatie gerekend. Afb. I - Wisselwerkbzg tzrssen verscl~illeizdefactoren in de ontwerpfase.
I
Afb. 2
- Druk als furrctie van belastir~g.
Wij komen hierdoor in grote moeilijkheden bij de definiering van het begrip produktievermogen. Er dient een duidelijk verschil te worden gemaakt tussen produktievermogen en leveringsvermogen. Onder produktievermogen van een produktie-installatie (zuiveringsinstallatie) zou ik willen verstaan de hoeveelheid water in m3/h van aanvaardbare kwaliteit, welke gemiddeld over eerz bepaalde tijdsduur maxirnaal kan worden gewonnen en gezuiverd. Of voldoende reinwaterberging beschikbaar is om a1 het geproduceerde water op te slaan moet buiten beschouwing blijven. Onder leveringsver~nogenvan een produktie-installatie zou men dan kunnen verstaan de hoeveelheid water in m3/h van aanvaardbare kwaliteit en voldoende druk, welke gemiddeld over een bepaalde tijdsduur maximaal aan het leidingnet kan worden afgeleverd. Of de verbruikers dit aanbod kunnen adsorberen en of het leidingnet voldoende capaciteit heeft, is in dit verband niet relevant. In deze omschrijvingen is de toevoeging ,,over een bepaalde tijdsduur" van essentiele betekenis. Beschouwt men het produktievermogen over een korte periode, bijvoorbeeld CBn uur, dan kan dit enige procenten hoger liggen dan het produktievermogen over een periode van twee of meer etmalen. Wij zouden het produktievermogen, bepaald over een periode van CCn enkel uur en onder gunstige omstandigheden, d.w.z. in de veronderstelling, dat alle onderdelen van de produktie-installatie (tot aan de reinwaterberging) naar behoren functioneren het rnaxirnum produktievermogen (uit te drukken in m3/h) kunnen noemen. Wordt de periode, waarover het gerniddelde van de produktie wordt bepaald, zolang genomen, dat een volledige cyclus kan worden afgewerkt van filterspoelingen en andere regelmatig terugkerende processen, welke de produktie tijdelijk verminderen, dan zouden we dit gemiddelde simpelweg het produktieverrnogen van de installatie kunnen noemen. Soms zullen wij in verschillende seizoenen van het jaar, bijvoorbeeld bij een wisselende samenstelling van het ruwe water, verschiUende waarden van het produktievermogen constateren. In dat geval dienen wij duidelijk te vermelden, op welk seizoen het opgegeven produktievermogen betrekking heeft. Principieel is, dat bij het bepalen van het produlctievermogen de grootte van de reinwaterberging buiten beschouwing blijft. Dit is niet het geval bij het leveringsvermogen. Het leveringsvermogen van een produktie-installatie (derhalve inclusief reinwaterberging) kan - en moet - over een korte periode (bijvoorbeeld CCn uur)
enige malen groter zijn dan het produktievermogen. Over een aanmerkelijk langer tijdvak gerekend, zullen doorgaans leveringsvermogen en produktievermogen gelijk worden, omdat het leveringsvermogen over een langer tijdvak uiteindelijk beperkt wordt door de maximaal te produceren hoeveelheid water. Soms wordt het leveringsvermogen betrolcken op een lange periode (bijvoorbeeld CCn jaar) gelimiteerd door de capaciteit van de waterwinplaats (grondwater) of de hydrologische situatie van een rivier of meer (oppervlakte water). Het is dan ook noodzakelijk duidelijk aan te geven, op welke tijdsduur en eventueel op welk seizoen het leveringsvermogen wordt betrokken. Tenslotte dient te worden bedacht, dat het leveringsvermogen over een tijdvak van bijvoorbeeld CCn etmaal ook sterk afhankelijk zal zijn van het afnamepatroon van het betrokken voorzieningsgebied. Een produktie-installatie bestaat uit meerdere produktiefasen (bijvoorbeeld winning, lagedrukpompstation, coagulatie, filtratie, desinfectie enz.). Elke fase is doorgaans weer samengesteld uit een aantal afzonderlijke eenheden. welke ~arallelwerken. Bij de eigenlijke zuiveringsfasen worden meestal eenheden gebruikt van onderling gelijke afmetingen en capaciteit. Voor de pompfasen is dit over het algemeen niet het geval. Teneinde het toelaatbare maximum en gemiddeld produktievermogen van een ontworpen installatie zo goed mogelijk te voorspellen is kennis van de gedragingen van de afzonderlijke eenheden onder uiteenlopende omstandigheden noodzakelijk. Soms kunnen de daarvoor noodzakelijke basisgegevens gemakkelijk worden verkregen, hetzij op grond van gedocumenteerde offertes (bijvoorbeeld Q-H-krommen van pompen), hetzij op grond van ervaring en theorie capaciteit en drukverliezen in buisleidingen, kanalen enz.). Het geven van een betrouwbare voorspelling van de toelaatbare capaciteit van de eigenlijke zuiveringsfasen is daarentegen veel moeilijker. Indien men niet beschikt over een reeds in bedrijf zijnde installatie van hetzelfde type, dat moet worden beschouwd, of, zo dit we1 het geval is, de omstandigheden anders zijn, is men aangewezen op de resultaten van een proefinstallatie op technische schaal. Weliswaar kunnen theorie en laboratoriumproeven een belangrijke bijdrage leveren bij het samenstellen van het voorontwerp, en richting geven aan verder onderzoek, doch de realiteit gebiedt op te merken, dat alleen proeven op werkelijk technische schaal uiteindelijk de gegevens en criteria kunnen verschaffen, waarop het definitieve ontwerp kan worden gebaseerd. Afb. 3
- Kwaliteit als furtctie van belasting.
zuivering
I
-
belasting
Voor een enigszins betrouwbare capaciteitsbepaling van filters is n.m.m. een proefinstallatie met een vermogen van minirnaal 10 k 20 mS/h noodzakelijk. Voor coagulatie- en bezinkingsprocessen zou ik zelfs een groter vermogen van de proefopstelling willen aanbevelen, omdat hier schaaleffecten een nog belangrijker rol spelen. Ook met desinfectieprocessen en met proefnemingen op het gebied van ontsmaking zal men langdurig moeten experimenteren op behoorlijke schaal, voordat verantwoorde conclusies kunnen worden getrokken. Evenals voor een pomp, welke bij een bepaald debiet een bepaalde opvoerhoogte (te vergelijken met de ,,kwaliteit9' van het afgeleverde produkt) kan leveren (afb. 2), zal meestal uit de waarnemingsresultaten van de betreffende zuiveringsfase een verband kunnen worden afgeleid tussen de capaciteit per eenheid van oppervlakte (of eventueel per eenheid van inhoud) en de kwaliteit van het effluent of het zuiveringsrendement.
betasting
I
1
t
to
ti
t2
I
t3
,tijd
norm
Doorgaans zal de restconcentratie van stoffen, weIke tijdens de zuivering moeten worden verwijderd, toenemen bij toenemende capaciteit. In afb. 3 geven de krommen a en b zulk een verband weer. Kromme a is in het algemeen representatief voor filters: een relatief grote toeneming van de filtratiesnelheid (oppervlaktebelasting) resulteert in een slechts relatief geringe of soms zelfs geheel verwaarloosbare toeneming van de restconcentratie in het filtraat. Krornmen van het type b worden gevonden voor coagulatie- en bezinkingsprocessen. Hierbij is over het algemeen het doorslagpunt duidelijker te bepalen, want een kleine toeneming van de oppervlaktebelasting veroorzaakt meestal reeds een aanmerkelijke toeneming van de restconcentratie in het effluent. Overigens zal men steeds moeten bedenken, dat het zuiveringsrendement van een deelbehandeling of van het gehele zuiveringsproces als zodanig mede kan worden beinvloed door fluctuaties van de oppervlaktebelasting, welke het gevolg zijn van de nu eenmaal noodzakelijke afsternming van de produktie op het waterverbruik. Een tijdelijke verhoging bijvoorbeeld van de filtratiesnelheid van een filter kan aanleiding geven tot zodanig verhoogde concentraties van een bepaalde stof in het effluent, dat de norm wordt overschreden (afb. 4, geval I). Soms ook leidt een kortstondige verhoging van de filtratiesnelheid, in feite een ,,overbelasting" zijnde, net niet tot overschrijding van de norm afb. 4, geval 11). Ook kan zich het geval voordoen (afb. 4, geval 111), waarbij zich na een aanvankelijke ongewenste verhoging van de restconcentratie C , in het filtraat een zeker herstel manifesteert, nadat zich een nieuw evenwicht heeft ingesteld. In a1 deze gevallen is sprake van een zekere naijling, welk verschijnsel zich ook bij coagulatieprocessen kan voordoen. In omstandigheden als van geval I11 kan wellicht met succes gebruik worden gemaakt van het recirculatieprincipe. Hierbij wordt een deel van het filtraat naar de ruwwatertoevoer teruggevoerd, waardoor het mogelijk is de werkelijke filtratiesnelheid bij wisselende produktie constant te houden en daarmede het hydrodynamische evenwicht in het filter op eenzelfde peil te handhaven. In de afvalwaterzuiveringstechniek wordt recirculatie veelvulig toegepast, in de waterleidingstechniek zijn slechts incidentele toepassingen bekend, welke evenwel goede resultaten leveren. Tenslotte moet worden gewezen op het niet te loochenen
Cf = restgehatte in fittraat
Afb. 4 - Kwaliteit als fu~zcrievan tijd en belasting: ~zaijli~~gsverscl~ij~~sele~r.
feit, dat - anders dan bijvoorbeeld bij de beproeving van een pomp - de reproduceerbaarheid van metingen en experimenten zelfs bij constante samenstelling van het ruwe water dikwijls te wensen overlaat. Weliswaar kan, hoe meer waarnemingen ter beschikking staan, een des te beter inzicht worden verkregen omtrent de meest waarschijnlijke ligging en vorm van de ,,capaciteits-kwaliteitskrornrne", maar desondanks blijft ,,eliminatieY'van eventuele uitschieters uit een waarnemingsreeks een hachelijke zaak, vooral indien men geen verantwoorde verklaring voor de incidentele afwijkingen kan geven. Omdat in de praktijk steeds meerdere eenheden parallel zullen functioneren, is evenwel de kans, dat bij meer dan 66n eenheid gelijktijdig incidentele tekortkomingen in het effluent zullen optreden, doorgaans gering. Bij de interpretatie van waarnerningen zal men dan ook het beginsel moeten huldigen, dat enig risico aanvaardbaar is bij de vaststelling van het toelaatbaar maximum produktievermogen op grond van proeven op semi-technische schaal. Veel moeilijker wordt het een schatting van de toelaatbare maximum capaciteit te geven, indien het beschikbare ruwe water niet van constante samenstelling Afb. 5 Invloed van de watertemperatuur biologische filters spaarbekkens bezinkiigsinrichtingen flocculatie-, coagulatieinrichtingen desinfectiesystemen koolfiiters snelfilters ontgassingssystemen beluchtingssystemen
+++ +++ +++
++ ++ + + (+)
-
In dit overzicht betekent: - lager rendement, c.q. capaciteit bij hogere temperatuur hoger rendement, c.q. capaciteit bij hogere temperatuur
+
/
Invloed van de watertemperatuur
/
viscositeit weerstandsverliezen bezinksnelheid leactiesnelheid (chemisch) reactiesneiheid (biologisch) oplosbaarheid van gassen oplosbaarheid van vaste stoffen, doorgaans adsorptiesnelheid adsorptievermogen kalk-koolzuurevenwicht
+(+I
++ -
verschuift
In dit overzicht betekent:
- verlaging bij hogere temperatuur
+ verhoging bij hogere temperatuur
Afb. 6
en temperatuur is. Met deze moeilijkheid kampen alle oppervlaktewaterbedrijven in meer of mindere mate. Gesloten buffering (kunstmatige infiltratie) en open buffering (spaarbekltens), zonder welke thans in Nederland oppervlaktewinning ondenkbaar is geworden, hebben we1 een duidelijk afvlakkend en egaliserend effect op de kwaliteit van het water, maar vooral bij de toepassing van spaarbekkens zullen seizoensinvloeden duidelijk merkbaar blijven. De werking van spaarbekkens is immers afhankelijk van biologische processen, welke voora1 door de watertemperatuur worden bei'nvloed. De temperatuur van het water speelt in veel opzichten een min of meer belangrijke rol. Afb. 5 geeft hiervan een schematisch overzicht. Voor ons is het meest van belang, dat bij hoge temperaturen: - de bezinksnelheid toeneemt als gevolg van de lagere
kinematische viscositeit van het water; - biologische processen (afbraak van ammoniak en
organische stoffen) sneller en beter verlopen als gevolg van verhoogde biologische activiteiten. Een samenvatting van de invloed van de watertemperatuur op verschillende deelbehandelingen is gegeven in afb. 6. Voorlopig is nog geen reele oplossing te geven om de verminderde biologische activiteit in spaarbekkens gedurende ltoude-perioden en alle gevolgen van dien (verrninderde capaciteit en zuiveringsrendement) te cndervangen. Voor biologische filters zou in principe een halt kunnen worden toegeroepen aan vermindering van het zuiveringsrendement door verwarming van het ruwe water met bijvoorbee!d aardgas. De kosten hiervan zouden kunnen worden geraamd op gemiddeld 1 a 2 cent per afgeleverde jaar-my Bedrijven met langzame filters doen er voorts verstandig aan de filters voor het ingaan van de winter schoon te maken. De biologische werking kan bij water met een temperatuur van 5 a 6" C nog vrij spoedig worden hersteld, terwijl dit niet het geval is bij nog lagere watertemperaturen. Een en ander is uitgebeeld op afb. 7. In verband met dit verschijnsel zou men zich kunnen afvragen of niet zelfs een intermitterend werkende opwarming van het water (bijvoorbeeld slechts gedurende enkele wen per etmaal of enkele dagen per week) een bijdrage tot vermijding van een teruggang van het zuiveringsrendement van langzame filters zou kunnen leveren.
De toelaatbare maximum capaciteit van bezinkingssystemen loopt bij afnemende watertemperatuur duidelijk terug. Dit is ook het geval bij coagulatie-inrichtingen. Hier heeft men evenwel de mogelijkheid de dosering van chemicalien aan te passen aan de omstandigheden. Voora1 het doseren van coagulatiehulpmiddelen is een efficiente methode om capaciteitsverlies in koudere perioden tegen te gaan. Bij desinfectieprocessen dient men terdege rekening te houden met de noodzaak tot langere verblijftijden bij lagere temperaturen van het water. Voor breekpuntchloring wordt doorgaans de verblijftijd van het water in de contactreservoirs bij 0" C anderhalf maal zo groot gekozen als bij een watertemperatuur van 20 " C . Hoewel men op grond van laboratoriumproeven en mathematische filtratietheorieen anders zou verwachten, is de invloed van de temperatuur van het water op capaciteit en zuiveringsrendement van snelfilters met hier te lande gebruikelijke filtratiesnelheden van 4 tot 8 m/h in de praktijk niet of nauwelijks merkbaar. Deze constatering wordt 0.m. bevestigd door een aantal waarnemingen aan de voorfilters te Leiduin [I], aan schrijver dezes welwillend door de Gemeeentewaterleidingen van Amsterdam ter beschikking gesteld. IJzer en ammoniak worden bij temperaturen van 2" C en bij aldaar gebruikelijke snelheden van ca. 5 a 7 m/h in vrijwel dezelfde mate verwijderd als in warmere perioden. Het is echter niet ondenkbaar, dat bij hogere filtratiesnelheden (boven 10 ?I 12 m/h) de ongunstige invloed van lagere watertemperaturen op het zuiveringsrendement van snelfilters in de praktijk merltbaar zal worden. Intussen zal uit het bovenstaande we1 duidelijk zijn geworden, dat in het merendeel der gevallen het aanleggen van objectieve maatstaven bij de aanname van een toelaatbare maximum capaciteit van een bepaalde zuiveringseenheid van gegeven constructie en afmetingen illusoir is, zelfs indien wordt beschikt over een lange reeks van waarnemingen. De persoonlijke visie en ervaringen van de ontwerper, derhalve grotendeels subjectieve maatstaven, zullen de doorslag blijven geven. Het is evenwel belangrijk te onderkennen, dat bij de opgave van de toelaatbare maximum capaciteit slechts een uiterst geringe veiligheidsmarge (enige procenten) in aanmerking mag worden genomen. Is eenmaal de toelaatbare maximum produktiecapaciteit van een ontworpen installatie op bovengenoemde wijze bepaald, dan moet worden nagegaan, bij welk nominaal vermogen een voldoende mate van bedrijfszekerheid naar verwachting kan worden gerealiseerd. Bedrijfszekerheid 2. Algernene oprverkingen De bedrijfszekerheid van een produktie-installatie is 0.m. afhankelijk van de volgende factoren: - de plaatselijke omstandigheden;
het algemeen bedrijfsbeleid; het waterverbruik en de wisselingen daarvan in de tijd; - beschikbaarheid en hoedanigheid van het ruwe water; - kwaliteit van de gebruikte materialen en wijze van uitvoering; - ouderdom en staat van onderhoud van de installatie;
-
trent de absolute mate van bedrijfszekerheid zal men niet kunnen verkrijgen, maar het zou reeds een winstpunt zijn, indien wij bij machte waren de bedrijfszekerheid van alternatieve ontwerpen beter met elkaar te vergelijken.
temperatuur OCI
Zulks zou in principe mogelijk zijn met behulp van mathematische bedrijfszekerheidsmodellen, welke met een computer worden doorgerekend. De theorie van deze werkwijze kan worden ontleend aan het vakgebied van de ,,reliability engineering", dat de laatste jaren vooral in de Verenigde Staten een enorme ontwikkeling heeft doorgemaakt. De specialisten, die op dit gebied werkzaam zijn, zijn voornamelijk betrokken bij rnilitaire en ruimtevaartprojecten. Met name de vliegtuigfabrieken en de elektronische industrie hebben een enorme stoot gegeven tot de verdere ontwikkeling en vooruitgang van deze jonge tak van wetenschap. Zonder computers zou zulk een ontwikkeling ondenkbaar zijn geweest.
I
restconcentratie I
I
restconcentrat ie
schoon rnaak
I I
Afb. 7 - Invloed van het tijdstip van sclzoonnzaak op het rendenzent van ket langzame filter.
bekwaamheid, ervaring, improvisatievermogen en niet te vergeten de arbeidsvreugde en loyaliteit van het leidinggevend, bedienend en overig uitvoerend personeel; - de kwaliteit van het ontwerp.
-
In het volgende is gezien het onderwerp van deze cursus voornamelijk aandacht geschonken aan de zo belangrijke invloed van het ontwerp op de bedrijfszekerheid. De ontwerper dient dan ook terdege rekening te houden met de eisen ten aanzien van de bedrijfszekerheid. Elke exploitant van een zuiveringsinstallatie staat immers machteloos, indien niet reeds in de ontwerpfase aan de verschillende aspecten van de bedrijfszekerheid voldoende aandacht is besteed. In het ontwerp moet dan ook een gamma van mogelijkheden worden opgenomen, welke de latere gebruiker van de installatie in staat stellen de gevolgen van een eventueel optredend defect in enig onderdeel geheel te ondervangen of althans tot aanvaardbare proporties terug te brengen. In het ontwerpstadium zal een systematische analyse met betrekking tot de bedrijfszekerheid niet mogen ontbreken. De moeilijkheid bij een dergelijke analyse is, dat objectieve gequantificeerde criteria voor de bedrijfszekerheid geheel ontbreken, terwijl richtlijnen voor het bereiken van een voldoende bedrijfszekerheid, voor zover zij voorhanden zijn, over het algemeen zeer summier zijn. Zulks is ook begrijpelijk, wanneer men bedenkt, dat de ornstandigheden van plaats tot plaats en van dag tot dag kunnen verschillen en quantitatieve gegevens over de storingskansen van pompen, filters, afsluiters e.d. niet of in onvoldoende mate beschikbaar zijn. Men dient zich dan ook te realiseren, dat een meer objectieve en theoretische benadering van het bedrijfszekerheidsvraagstuk, waarbij de bedrijfszekerheid quantitatief wordt bepaald, voorshands alleen mogelijk is op grond van een groot aantal aannamen en veronderstellingen. Uitsluitsel om-
Wij zullen onze kennis dan ook voornamelijk moeten ontlenen aan beschouwingen en theorieen in de genoemde vakgebieden, want schrijver dezes is er niet in geslaagd literatuur te achterhalen, welke specifiek betrekking heeft op de theorie van de bedrijfszekerheid van zuiveringsinstallaties. Men zou op het eerste gezicht geneigd zijn te oordelen, dat bedrijfszekerheidstheorieen voor verschillende vakgebieden elkaar we1 niet veel zullen ontlopen. Inderdaad is dit ook het geval, zolang het de principiele benadering van het bedrijfszekerheidsvraagstuk betreft. Zodra evenwel op details van berekeningswijzen wordt ingegaan, blijkt, dat de mathematische uitwerking, waarbij veelvuldig wordt gebruik gemaakt van exponentiele functies, minder toegankelijk is voor niet-specialisten in ,,reliability engineering". Schrijver heeft dan ook gemeend de mathematische berekeningswijzen op een eenvoudiger leest te moeten schoeien, omdat deze voor velen beter te begrijpen zijn en mede daardoor gemakkelijker een beter inzicht in het bedrijfszekerheidsvraagstuk wordt verkregen. De daaruit voortvloeiende grotere onnauwkeurigheid in de resultaten moet dan op de koop toe worden genomen. Gebruik makend van de mathematische bedrijfszekerheidstheorie zullen wij in principe in staat zijn om te komen tot een meer objectieve en daarom meer verantwoorde keuze uit alternatieve ontwerpen dan mogelijk is op grond van alleen een sterk subjectieve analyse van de bedrijfszekerheid, welke is gebaseerd op intuitie, technisch gevoel en ervaring van de ontwerper. Zolang evenwel de basisgegevens geheel of gedeeltelijk ontbreken of de nauwkeurigheid daarvan te wensen overlaat, zullen we van de mathematische theorie niet meer mogen verwachten dan een controle- en correctiemiddel op intuitie, technisch gevoel en ervaring van de ontwerper. Het voordeel van de toepassing van de mathematische bedrijfszekerheidstheorie moet daarom eerder worden gezocht in de bevordering van een gezond denkproces bij de ontwerper en van een meer systematische en minder gevoelsmatige aanpak van het vraagstuk dan in de misschien in theorie bestaande mogelijkheid van een quantitatieve voorspelling van de bedrijfszekerheid. Uitdrukkelijk wordt gesteld, dat het alleen zin heeft om ons te gaan wijden aan de mathematische bedrijfszekerheidstheorie, wanneer wij het bovenstaande steeds goed voor ogen houden.
van het systeem op een bepaald tijdstip in de toekomst. Bedrijfszekerheid is:
Voorbeelden van
1. kans, dat systeem naar behoren zal functioneren Onbemande raketten
gedztre~tdetijdvak T (geen reparatie) ,,Reliability"
2. kans, dat systeem naar behoren functioneert op tijdstip t~ 6n na t l gedurende tijdvak T (gem reparatie). ,,Interval reliability" 3. kans, dat systeem naar behoren functioneert op willekeurig tijdstip t (in gegeven tijdvak T) ,,Pointwise Availability" (reparaties toegestaan) 4. dat deel van gegeven tijdvak, gedzwende hetwelk systeem naar verwachting naar behoren zal functioneren ,,(Interval) Availability'' (reparaties toegestaan)
Maanvoertuigen
Machinefabriek
Bij verdere beschouwing van de gegeven definities blijkt, dat de eerste twee niet in aanmerking komen voor gebruik in de waterleidingtechniek, omdat de mogelijkheid van reparatie wordt uitgesloten. Definities 3) en 4) leveren beide dezelfde numerieke waarden in een concreet geval. Omdat de vierde definitie in waterleidingkringen het meest zal aanspreken, zal deze in het navolgende worden gehanteerd. Op praktische gronden ware voor toepassing in de waterleidingtechniek de duur van het tijdvak, waarop de berekende bedrijfszekerheid betrekking heeft, te stellen op 66n jaar. Daarmede is de bedrijfszekerheid A als volgt gedefinieerd: het aantal tijdseenheden binnen een jaar, dat de installatie naar verwachting naar behoren zal functioneren A = het aantal tijdseenheden van een jaar Op overeenkomstige wijze kan de storingskans a worden gedefinieerd:
Radarinstallaties Elektrische centrales Zuiveringsinstallaties
Afb. 8 - E~tigedefirzities van bedrijfszekerheid uit de Amerikaanse literatuur.
3 . H e t begrip bedrijfszekerheid Bij raadpleging van de literatuur op het gebied van de bedrijfszekerheid blijkt, dat er verschillende omschrijvingen bestaan van het begrip bedrijfszekerheid. Dit verschijnsel is te verklaren op grond van de omstandigheid, dat de omschrijving ten nauwste samenhangt met de aard van het object, waarvan de bedrijfszekerheid wordt ondenocht. Somtijds is in het geheel geen mogelijkheid tot reparatie aanwezig (onbemande raketten), soms slechts in beperkte mate (bemande ruimtecapsules), soms bestaat de mogelijkheid van preventief onderhoud (bijvoorbeeld in een machinefabriek), waarbij eventuele storingen slechts leiden tot enig economisch aanvaardbaar geacht produktieverlies.
De voornaamste definities van bedrijfszekerheid, welke in de Amerikaanse literatuur werden aangetroffen, zijn in verkorte vorm weergegeven in afb. 8. Bij alle definities is sprake van een kans of mathematische verwachting, welke betrekking heeft op het naar behoren functioneren
-
A f b . 9 Voorbeeld 1. Systeent bestaande uit ponzpaggregaat en energievoorziening.
het aantal tijdseenheden binnen een jaar, dat de installatie naar verwachting niet naar behoren zal functioneren a = het aantal tijdseenheden van een jaar Per definitie is derhalve: A
+ a = 1.
Overeenkomstige definities kunnen worden gegeven voor de bedrijfszekerheid en de storingskans van onderdelen. Ter aanvulling diene, dat een onderdeel ,,naar behoren functioneert", indien het betreffende onderdeel potentieel in staat is zijn taak naar behoren te vervullen. Een pomp, welke geen defect vertoont, wordt derhalve geacht ,,naar behoren te functioneren", zelfs indien door een stagnatie in de energielevering geen water kan worden verpompt.
4. Bedrijfszekerheidsberekeningen In het navolgende is nagegaan, hoe in principe de berekening van de bedrijfszekerheid zou kunnen worden opgezet voor installaties, welke nog in het ontwerpstadium verkeren. AUeen door sterke schematisering en vereenvoudiging van de reele situatie is het mogelijk met behulp van de grondregels van de waarschijnlijkheidsleer en kansberekening tot een resultaat te komen. Bij berekeningen en voorspellingen van de bedrijfszekerheid wordt in de eerste plaats als uitgangspunt gekozen, dat van elk onderdeel (component) of samenstel van onderdelen (een eenheid) of samenstel van gelijksoortige eenheden met dezelfde functie een subsysteem) een duidelijke taakomschrijving (met vermelding van kwaliteit en capaciteit) kan worden gegeven. Bovendien wordt doorgaans aangenomen, dat 0.m. aan de volgende hypothesen wordt voldaan: a. het optreden van een storing in een of ander onderdeel wordt zuiver door het toeval bepaald;
I
!
pornpaggregaat
'
I
b. storingen van onderdelen zijn ,,onafhankelijke gebeurtenissen" in de zin, welke daaraan in de waarschijnlijkheidsleer wordt gegeven; c. de storingskans van enig onderdeel gedurende de beschouwde periode van 66n jaar is constant;
6. Systeenl met n ongelijke eenheden, zonder reserve Formule ( 1 ) wordt in de literatuur dikwijls in een meer algemene vorm geschreven: i =n (4) As = 1 7 (1 -ai) i=l waarin en a i I
I
A f d . 10
- Voorbeeld 2. Systeem met 3 eenheden, warnvan 1 reserve.
d. de invloed van gepland preventief onderhoud op de bedrijfszekerheid is te verwaarlozen; e. aan elk onderdeel, eenheid of subsysteem kan een ,,onafhankelijkeVstoringskans worden toegekend, op grond van waarnemingen of schattingen. Met betrekking tot de veronderstellingen d) en e) moet het volgende worden opgemerkt. Preventief onderhoud wordt veelal uitgevoerd om de kans op storingen op ongelegen ogenblikken zoveel mogelijk te verminderen. Daarom zal de gebruiker het preventief onderhoud zodanig plannen, dat dit buiten de piekuren valt. De beschikbare reserve wordt derhalve tijdelijk kleiner, waardoor de mate van bedrijfszekerheid buiten de piekuren ongunstig wordt beinvloed; doch tijdens piekverbruiken wordt de bedrijfszekerheid juist vergroot door preventief onderhoud. Daarom is hypothese d) alleen aanvaardbaar, indien de geschatte storingskans van onderdelen, welke preventief onderhoud behoeven, wordt vastgesteld, alsof geen preventief onderhoud plaats vindt. In navolgende paragrafen is een aantal eenvoudige berekeningsmethoden gegeven, welke bij de analyse van de bedrijfszekerheid van een systeem van belang kunnen zijn. De theorie is toegelicht met een aantal voorbeelden.
5 . Systee~nnter n gelijke eenheden, zonder reserve De n gelijke eenheden hebben alle een gelijke produktiecapaciteit C en een gelijke ,,onafhankelijkemstoringskans ax. De verlangde prestatie is de continue levering van W, waarbij (n - 1) C < W 5 nC. Het beschreven systeem zal derhalve alleen zijn taak naar behoren vervullen, wanneer alle n eenheden geen defect vertonen en voor produktie beschikbaar zijn. De kans, dat een eenheid naar behoren functioneert (m.a.w. de bedrijfszekerheid A1 van een eenheid) is: A1 = 1-a1 De bedrijfszekerheid A, van het systeem (m.a.w. de kans, dat alle n eenheden hun taak naar behoren vervullen) is op grond van de vermenigvuldigingsregel uit de waarschijnlijkheidsleer:
=
onafhankelijke storingskans van de ide eenheid.
De formule geldt, zolang de verlangde prestatie alleen kan worden geleverd, indien alle n eenheden naar behoren functioneren. Derhalve geldt zij ook voor seriesystemen en serieparallelsystemen zonder reserve. De benaderingsformule voor de storingskans a, wordt:
7 . Parallelsystee~nmet n gelijke eenheden, waarvan kkn reserve De n gelijke eenheden hebben alle een gelijk produktievermogen C en een gelijke onafhankelijke storingskans al. De verlangde prestatie van het systeem is de continue levering van W, waarbij (n - 2) C < W 5 (n - 1) C. Het beschreven systeem zal zijn taak naar behoren vervullen in de volgende toestanden. 1. n eenheden functioneren naar behoren; 2. (n - 1) eenheden functioneren naar behoren. De kans K,-1 op toestand 2 is: De kans K,-1 op toestand 2 is:
A, kan nu worden verkregen door optelling van K, en K,-l (optelregel uit de waarschijnlijkheidsleer):
+
A, = (1 -al)n nal (1 -alp-1 Bij benadering is voor kleine waarden van al: n (n - 1) a12 a, % 8. Parallelsystee~nmet n gelijke eenheden, waarvan r reserve Formules (6) en (7) zijn bijzondere gevallen van het meer algemene geval, waarin het systeem bestaat uit n gelijke eenheden, waarvan r eenheden als reserve staan opgesteld. Elke eenheid heeft wederom een produktievermogen C en een onafhankelijke storingskans al. De verlangde prestatie W voldoet aan (n -r - 1) C < Wl(n-r)C. De algemene formule wordt dan:
Voor kleine waarden van a1 wordt de benaderingsformule voor de storingskans a, van het systeem:
De storingskans a, van het systeem is dan: a, = 1 -(1 -al)n of bij benadering voor kleine waarden van al: a,
* nal
waarin n ! = n (n-1) (n-2) en per definitie: o ! = 1.
.... X I
Derhalve: Met de benaderingsformule hadden we gevonden: 1 Aangenomen kansverdel~ngwaterverbrulk 3C<W<4C -+f(w) = 0.90 4c<w:5c -f(w)=O,lO
Voorbeeld 3 (afb. 11) Gevraagd te berekenen de bedrijfszekerheid A, en de storingskans a, van een systeem, bestaande uit 5 pompaggregaten (elk met een capaciteit C) met onafhankelijke storingskansen a1 = 0,001. De gevraagde prestatie W voldoet gedurende 10 O/o van de tijd aan 4 C < W 5 5 C en gedurende 90 O/o van de tijdaan 3 C < W 5 4 C .
Afb. 11 - Voorbeeld 3. Systeem nzet 5 eenhederz, waarvan 1 reserve gedurende 10 % van de tijd.
Door substitutie van r = o en r = 1 in formule (9) worden respectievelijk formules (3) en (7) teruggevonden. 9. Voorbeelden en toepassingen van voorgaande theorie Voorbeeld 1 (afb. 9) Gevraagd te berekenen de bedrijfszekerheid A, en de storingskans a, van een systeem (met produktiecapaciteit C), dat bestaat uit twee ongelijke subsystemen Si en S2 (bijvoorbeeld een pompaggregaat en zijn energievoorziening) met onafhankelijke storingskansen a1 = 0,001, resp. a2 = 0,005. De gevraagde prestatie W kan alleen worden geleverd, indien beide subsystemen hun taak naar behoren vervullen. Voorts is steeds o W C.
Oplossing: Het betreft hier een serie-systeem. Formule (4) geeft de gevraagde uitkomst A, = (1 -ai) (1 -az) = 0,999 x 0,995 = 0,994005 Derhalve: a, = 1 -A,
=
0,005005
Benaderingsformule (5) geeft als resultaat: a, = a1
+ a2 = 0,006
Voorbeeld 2 (afb. 10) Gevraagd te berekenen de bedrijfszekerheid A, en de storingskans a, van een systeem (met totale produktiecapaciteit 3 C), dat bestaat uit 3 gelijke eenheden El, E2 en E3, elk met een capaciteit C en met een onafhankelijke storingskans a1 = 0,Ol. De gevraagde prestatie W kan alleen worden geleverd, indien tenminste 2 van de 3 eenheden naar behoren functioneren. Voorts is steeds: C < W 5 2 C.
Oplossing: Het betreft hier een parallel-systeem. Gedurende 10 "/o van de tijd geldt: a,5 = 0,005 (formule 3) derhalve Ass = 0,995 Gedurende 90 O/o van de tijd geldt a,g = 10-5 (formule 7) derhalve A,g = 0,99999 De bedrijfszekerheid A, van het systeem onder de vigerende omstandigheden kan worden berekend met behulp van de produkt- en optelregel uit de waarschijnlijkheidsleer: A,
=
0,10 Ass
+ 0,90 A,g
derhalve A, = 0,999491 en a, = 509 x 10-6
Voorbeeld 4 (afb. 12) Door toevoeging van Ckn extra-eenheid aan het systeem van voorbeeld 3 wordt de bedrijfszekerheid van het systeem aanmerkelijk bevorderd. In dit geval is n
=
6 en wordt volgens formule (9):
a,5 = 15.10-6 en a,4 = 2.10-8 Afb. 12 - Voorbeeld 4. Systeem met 6 eenheden, waanrart 2 reserve gedurende 90 % van de tijd en 1 reserve gedurende 10 % van de tijd.
I
Oplossing: Het betreft hier een parallel-systeem. Pas formules (6) en (7) toe met n = 3 of formules (8) en(9) met n = 3 e n r = 1. We vinden: A, = 0,993
+ 3 .0,01 (0,99)2 = 0,999702
a,=1.518 lo-"
Aangenomen kansverdeling waterverbruik: 3C<W<~C--f(~)=0.90 LC<W~SC+~(W)=O,~O
zodat A , = 0,10 (1 - 15.10-6) derhalve A, = 1 - ,518.10-6 en a, = 1,518.10-6
+ 0,90 (1 -2.104)
De storingskans van dit systeem is ongeveer 335 maal zo klein als die van het systeem van voorbeeld 3. 10. Serie-parallelsystemen tnet reserve Onder een serie-parallelsysteem wordt verstaan een systeem, dat is samengesteld uit een serieschakeling van een aantal subsystemen, welke elk afzonderlijk weer bestaan uit een parallelschakelingvan eenheden. Indien elk subsysteem is samengesteld uit een aantal onderling gelijke eenheden met gelijk vermogen en gelijke storingskans, kan de bedrijfszekerheid worden berekend voor elk individueel subsysteem met behulp van de bekende formules. Indien bovendien sprake is van een zuivere serieschakeling van subsystemen, waarbij alle subsystemen naar behoren moeten functioneren om het systeem in staat te stellen de gevraagde prestatie te leveren, zal met formule (4) de bedrijfszekerheid van het systeem kunnen worden berekend. Voorbeeld 5 (afb. 13) Van het systeem van afb. 13 wordt verlangd, dat continu een capaciteit 4 C beschikbaar is.
De bedrijfszekerheid AI van subsysteem St, bestaande uit 3 gelijke eenheden, elk met capaciteit 2 C en storingskans ax, is voor W = 4 C: De bedrijfszekerheid AII van subsysteem 2, bestaande uit 5 gelijke eenheden, elk met capaciteit C en gelijke storingskans a4, is voor W = 4 C:
AII
=
1-
10a42
A,, 1-3a12-10a42
= A,. =
+ 3Oa12 a42
Voor kleine waarden van a1 en a4 kan de laatste term gevoegelijk worden verwaarloosd, zodat
11. Procentuele reserve Overeenkomstig de gangbare opvatting wordt de procentuele reserve hier gedefinieerd als de verhouding tussen de totale capaciteit van de reserve-eenheden en de totale capaciteit van de overige eenheden. Voor een systeem, bestaande uit n gelijke eenheden, waarvan r als reserve staan opgesteld, bedraagt derhalve de procentuele reserve R: R = -
r X
- Voorbeeld 5. Systeein bestaande uit 2 subsysteii~eit.
kansen a, berekend. Enige resultaten zijn gegeven in tabel I. Duidelijk blijkt, hoezeer de storingskansen van diverse systemen uiteenlopen ondanks een gelijke procentuele reserve. Dikwijls geeft een kleinere procentuele reserve een hogere bedrijfszekerheid. Men zij dus uiterst voorzichtig in het hanteren van de procentuele reserve als maatstaf voor de onderlinge vergelijking van de bedrijfszekerheidvan in aanmerking komende alternatieven. TABEL I
zodat de bedrijfszekerheid A, van het systeem kan worden berekend uit
A, A,
Afb. 13
100 %
n-r Voor een aantal systemen, elk bestaande uit een aantal gelijke eenheden met gelijke onafhankelijke storingskans a1 = 0,01, zijn met behulp van formule (9) de storings-
- (voor a1 = 0,Ol)
totaal aantal eenheden n
aantal reserve eenheden r
procentuele reserve R in %
storingskans systeem voor a1 = 0,01 a,
5
4 10 8 15 12 30
12. Parallelsystenlen van ongelijke eenheden inet reserve Zolang het gaat om systemen en subsystemen bestaande uit gelijke eenheden, is de bedrijfszekerheid op betrekkelijk eenvoudige wijze met behulp van de gegeven formules te berekenen. Moeilijker wordt het berekeningen uit te voeren, indien het systeem niet of niet geheel uit gelijke eenheden bestaat, waarvan bovendien een aantal als reserve is opgesteld. In dergelijke gevallen kan voor niet te grote systemen met succes gebruik worden gemaakt van een ,,probability tree" (,,waarschijnlijkheidsnetwerk"). Systernatisch wordt nagegaan, in welke toestanden het systeem kan verkeren. De kans op het optreden van elke toestand
TABEL I1
- (voorbeeld 6)
Alternatieve oplossing (zonder netwerk) Dezelfde uitkomst hadden we gevonden, indien El en E2 tezamen als een subsysteem SI was beschouwd en E3 als subsysteem S2.
Het subsysteem S1 heeft een bedrijfszekerheid AI voor een capaciteit van 300 m3/h:
Kans op toestand
en een storingskans aI:
Het subsysteem Sz heeft een bedrijfszekerheid AII voor een capaciteit van 300 m3/h: en een storingskans aII:
wordt berekend, waarna de bedrijfszekerheid kan worden berekend door optelling van de kansen op alle toestanden, waarin het systeem de verlangde prestatie nog kan leveren. In het volgende voorbeeld is deze methode toegepast. Voorbeeld 6 (afb. 14) Een systeem, bestaande uit 3 eenheden El, Ez en E3 met gelijke functie, doch met verschillend vermogen (resp. 100, 200 en 300 m3/h) en met storingskansen van resp. ax, a2 en a3 moet continu een debiet leveren van 300 m3/h. Het waarschijnlijkheidsnetwerk van het systeem is weergegeven in de afbeelding. De bij de takken van het netwerk geplaatste symbolen El, E2 en E3 betekenen, dat El, Ez en E3 naar behoren functioneren. De notaties El, Ez en E3 hebben betrekking op de toestand, waarin de betreffende eenheden wegens een storing niet beschikbaar zijn voor produktie.
De kans op het optreden van toestand 1 (derhalve El E2 E3), waarin alle 3 eenheden naar behoren functioneren, wordt genoteerd als Pr {EI E2
.
~ 3 ) Pr
{EI E2 E ~ )
kan berekend worden met de produktregel: Op overeenkomstige wijze kunnen de kansen op het optreden van de overige toestanden worden berekend. Voor de onderhavige voorbeeld zijn de resultaten van deze berekening samengevat in tabel 11. Uit de tabel blijkt, dat het systeem alleen naar behoren kan functioneren als het verkeert in 66n der toestanden 1, 2, 3, 5 of 7. De kans op het optreden van 66n dezer toestanden, m.a.w. de bedrijfszekerheid A, van het systeem wordt gevonden door optelling van de kansen op het optreden van deze toestanden. Dit levert:
Het systeem kan alleen zijn taak niet vervullen, indien beide subsystemen SI en S2 zijn gestoord, derhalve is de storingskans a, van het systeem
Opnterkingen Toepassing van deze ,,netwerkrnethodeWlijkt op het eerste gezicht ook aantrekkelijk voor de berekening van meer ingewikkelde systemen. Hieraan zijn evenwel grote praktische bezwaren verbonden. Het voornaamste bezwaar is, dat het aantal toestanden in het netwerk exponentieel toeneemt met het aantal eenheden. Voor een systeem met 10 eenheden, bedraagt het aantal toestanden reeds 210 = 1024, voor een systeem met 33 eenheden ca. 10 miljard!
Een ander bezwaar is, dat ondanks een systematische aanpak de kans op vergissingen en rekenfouten vrij groot is. Het verbruik van een computer kan vooral het eerste bezwaar niet ondervangen, omdat het aantal gegevens, dat moet worden ingevoerd zeer groot is, en deze een aanzienlijke voorbewerking moeten ondergaan. Aan beide bezwaren kan gedeeltelijk worden tegemoet gekomen door gebruik te maken van de hierna te beschrijven ,,matrix-methode". 13. Matrix-methode Bij de ,,matrix-methode" voor de berekening van de bedrijfszekerheid worden de kansen op toestanden, welke optreden ten gevolge van meer dan 2 gelijktijdig optredende defecten aan verschillende onderdelen van de installatie, verwaarloosd. De invloed van de verwaarlozing van deze kansen op de uitkomsten zal later worden besproken.
De storingskans a, kan worden gevonden door optelling van de kansen op het optreden van de toestanden 4, 6 en 8, waarin het beschikbare vermogen Meiner is dan de gevraagde capaciteit van 300 m3/h. Dit levert:
De ontwikkelde methode heeft het voordeel, dat zij niet alleen een systematische aanpak bevordert, doch ook, dat computerberekeningen van verschillende ontwerpen met behulp van hetzelfde computerprogramma kunnen worden uitgevoerd.
De kans op het optreden van 6611 der toestanden 1 tot en a, = 1 . met 8 is 1, want A,
De werkwijze, welke bij de matrix-methode wordt gevolgd, kan het beste worden beschreven aan de hand van
+
mers aan elke plaats in de matrix kan een kans worden toegekend. De kans op de toestand van kolom 3, rij 2 is bijvoorbeeld: en de kans op de toestand van kolom 5, rij 3 is:
Stelt men (1 -al) (1 -a2) (1 -aa) = A,, dan is de bedrijfszekerheid A, van het systeem voor een verlangde prestatie van 300 m3/h te herleiden tot de volgende vorm: "Probability tree"
Voorbeeld 8 Zie voor de gegevens voorbeeld 5 en afb. 13. De matrix wordt: Afb. 14
Component Storingskans ldefect ofeenheid
- Voorbeeld 6. Systeen~met 3 or~gelijkeeenhede~z.
1
2
3
2 defecten 4 5 6
7
8
een tweetal voorbeelden, welke reeds in het voorgaande met de conventionele methode werden doorgerekend. Voorbeeld 7 Zie voor de gegevens: voorbeeld 6 en afb. 14. De matrix is in dit geval Kolom
rij 1 2 3
1
2
3
Compo~ ~ nent of Storings- bij 6611 kans defect eenheid E1 ~2 E3
a1 a2 a3
500 400 300
4
5
6
Toestand ~ bij ~ combinatie t ~ van twee defecten El E2 E3
300 200
100
De bedrijfszekerheid A, van het systeem is voor de continu prestatie W = 4C: ~ verlangde d a2
-
-
In kolom 1 is de codering van de betreffende component aangegeven. Kolom 2 geeft de bij het betreffende onderdeel behorende onafhankelijke storingskans. In kolom 3 is de beschikbare capaciteit van het systeem aangegeven in het geval van een defect van de in de betreffende rij in kolom 1 vermelde eenheid. In de kolornrnen 4 tot en met 6 is hetzelfde geschied, doch thans voor combinaties van defecten aan 2 componenten.
+51 -a2
+ 15
+
(1 -a d (1 - a21
Door de systematische opstelling van de gegevens, welke in de vorm van de matrix aan de computer worden toegevoerd, is de computer in staat de bedrijfszekerheid van het systeem op snelle en nauwkeurige wijze te berekenen met behulp van een geschikt computerprogramma. Im-
A,
waarin A, = (1 -a ~ (1) ~a2)5
De gevonden uitkomsten zijn bijzondere vormen voor de algemene formule, welke bij de matrix-methode wordt toegepast:
In kolom 5, rij 3 betekent 100 derhalve, dat het systeem bij gelijktijdig optredende defecten van E 2 en E 3 slechts 100 m3/h kan leveren.
Wordt zoals in het onderhavige geval, een minimale prestatie gevraagd van 300 m3/h, dan moeten voor de berekening van de bedrijfszekerheid van het systeem alleen die toestanden in aanmerking worden genomen, waarin een capaciteit van 300 of hoger staat vermeld.
]
i=n
+ i x= l
k=n (Fik
k=l
(1 -ai) (1 -a,J
I)
A,, (10)
waarin: n i
k a,
= het aantal componenten, welke bij de berekening
in beschouwing wordt genomen; de ide component van het systeem; = de kde component van het systeem; = de storingskans; =
winning
I
beluchting
filtratie
LO
58
18
66
de samenstellende componenten bekend worden verondersteld en de opstelling van de matrix uitvoerbaar is. Is dit laatste niet het geval, dan kan dit knelpunt worden omzeild door een verdergaande vereenvoudiging en schematisering. Met opoffering van enige nauwkeurigheid kan dikwijls het samenvoegen van een aantal componenten tot nieuwe eenheden of subsystemen uitkomst brengen. Zo is het mogelijk het systeem van afb. 15a met 83 componenten terug te brengen tot het model van afb. 15b met slechts 27 componenten, zonder a1 te veel afbreuk te doen aan de nauwkeurigheid van de uitkomst.
desinfectie
I
A f b . 15 - a. Adode1 bestani1de lrit 83 coiilporleiztei1; b . Sterk vermodel (27 cori~poi~eizteiz) varl oorsproi~kelijks)~steeni. eeit~ao~tdigd
Fi
=
F,,,
=
1, indien een defect aan de ide component geen invloed heeft op het naar behoren functioneren van het systeem (anders F, = 0); 1, indien een combinatie van defecten van de componenten i en k geen invloed heeft op het naar behoren functioneren van het systeem (anders F i , = 0), tenvijl F,, = 0 voor 5 k;
Deze algemene formule leent zich uitstekend voor programmering op de computer. ECn moeilijkheid blijft bestaan: het voorbewerken van de gegevens, welke in de matrix moeten worden opgenomen. Dit is voor grotere systemen een omslachtig werk. Voor een systeem, dat uit n componenten bestaat, bevat matrix ongeveer 1 (- n V n) elementen. Voor een systeem met bijvoor2 beeld 10 componenten is dit geen bezwaar, doch voor een systeem met 50 elementen moeten reeds ca. 1300 gegevens worden voorbewerkt. Gesteld, dat drie varianten in zulk een geval worden geanalyseerd, dan betekent dit, dat 3900 maal moet worden nagegaan, welke capaciteit nog beschikbaar is, wanneer CCn of een combinatie van twee storingen van componenten zouden optreden! Toch levert de matrix-methode ten opzichte van de netwerk-methode reeds een zodanige besparing, dat zij in veel gevallen met succes zal kunnen worden toegepast. De nauwkeurigheid van de matrix-methode is uiteraard kleiner dan die van de netwerk-methode. Verwaarlozing van de kans op het optreden van combinaties van storingen van meer dan twee componenten zal over het algemeen leiden tot een theoretisch te pessimistische schatting van de bedrijfszekerheid. 14. Toepassir~gsr~~ogelijkheden van de r?1atrin--rnethode De matrix-methode kan in principe worden toegepast op elk willekeurig systeem, mits de storingskansen van
Een andere mogelijkheid tot vereenvoudiging is uiteraard alleen die elementen in de matrix op te nemen, welke een relatief grote kans hebben. Alle niet ingevulde elementen verkrijgen dan de waarde 0. Dit betekent, dat een groot aantal combinaties (in veel gevallen het merendeel) van twee defecten niet in beschouwing wordt genomen. Ook hier wordt aan nauwkeurigheid ingeboet. Welke methode men ook kiest, steeds zal blijken, dat degene, die wordt belast met het opstellen van de matrix, aan inzicht zal winnen en tot bepaalde conclusies zal kunnen komen, welke voor de ontwerper van nut kunnen zijn. Is de matrix eenmaal opgesteld, dan biedt de matrixmethode de mogelijkheid om op zeer eenvoudige en snelle wijze de computer te laten nagaan, welke invloed de storingskans van bepaalde onderdelen heeft op de bedrijfszekerheid van het onderzochte systeem. Zulk een onderzoek op gevoeligheid van het systeem voor variaties in de storingskans van componenten kan tot interessante resultaten leiden, zoals uit de volgende paragraaf zal blijken. 15. Koppelingselerne~lten Tot dusverre hebben wij steeds verondersteld, dat eenheden van een systeem of subsysteem naar believen kunnen worden bij- en afgeschakeld. De bedrijfszekerheid van de koppelingselementen (afsluiters en afsluitercomplexen, kanalen en leidingen) werd daarbij steeds buiten beschouwing gelaten en niet in de berekening opgenomen, m.a.w. de storingskans van deze toch zeer essentiele koppelingselementen werd steeds 0 gesteld. Hoewel op zichzelf de kans op het optreden van een defect in een koppelingselement relatief klein is ten opzichte van de kans op andere storingen, kan zij niet geheel worden verwaarloosd, te meer niet, omdat in veel gevallen de gevolgen van zulk een storing zeer ernstig kunnen zijn en het beschikbare produktievermogen aanzienlijk kan worden gereduceerd. Vermeerdering van het aantal koppelingselementen betekent meer schakelmogelijkheden en vermindering van de gevolgen van een storing in CCn of meer eenheden, doch tegelijkertijd wordt de kans op storingen van het systeem door een defect in CCn der koppelingselementen groter. Er is dus sprake van een optimaliseringsprobleem, dat in principe kan worden opgelost met behulp van een gevoeligheidsonderzoek van de in aanmerking komende varianten. Aan de hand van afb. 16a zal een en ander worden toegelicht. Ontwerp A bevat een serieschakeling van 3 deelbewerkingen (bijvoorbeeld: pomp, beluchting, filtratie), waarbij voor elke deelbewerking slechts CCn eenheid van vol-
doende capaciteit beschikbaar is. Aan elke eenheid is een onafhankelijke storingskans toegekend. Elke storing aan CCn der eenheden resulteert in een niet kunnen voldoen aan de verlangde prestatie. Voorts is aangenomen, dat de onderlinge verbindingen en de toe- en afvoerlijn een storingskans 0 hebben. Onderwerp B bevat een parallelschakeling van 3 produktielijnen, welke elk zijn opgebouwd uit de 3 deelbewerkingen. Om de verlangde prestatie te leveren, zijn doorgaans slechts 2 produktielijnen noodzakelijk. Teneinde C6n of meer produktielijnen te kunnen af- of bijschakelen zijn aan het begin en aan het eind van het systeem afsluitercomplexen (koppelingselementen) nodig, welke een bepaalde storingskans a hebben. Een enkele storing van 6611 der eenheden resulteert slechts in een gedeeltelijk vermogensverlies, terwijl zich gevallen kunnen voordoen, waarin zelfs het tegelijkertijd optreden van 2 storingen nog geen aanleiding tot stagnatie in de levering behoeft te geven (bijvoorbeeld, wanneer deze 2 storingen in dezelfde produktielijn voorkomen). Een enkel defect aan BCn der koppelingselementen houdt evenwel in, dat de installatie niet meer de verlangde prestatie kan leveren. De ontwerpen C en D bevatten 4 resp. 6 koppelingselementen. De schakelmogelijkheden zijn groter. Het systeem D is zelfs niet gevoelig voor een combinatie van 2 storingen, mits deze niet plaats vinden binnen hetzelfde subsysteem, waartoe gelijksoortige eenheden behoren. Met het grotere aantal koppelingselementen is de bedrijfszekerheid van het systeem evenwel gevoeliger geworden voor een storing van een koppelingselement.
storingskans systeem (log -schaal)
I
I
-
a:
storingskans ,,koppelingselement' (log. schaal)
I
Afb. I6 - a. ModeNera van de 4 onderzochte sysienzen; b. Sforingskansen van de 4 systemen als functie van de storingskans van een koppelingdenzent.
In de grafiek van afb. 16b zijn de storingskansen van de systemen op logarithmische schaal afgezet als functie van de storingskans a van een koppelingselement. Voor ontwerp A wordt een rechte lijn gevonden, omdat dit systeem geen koppelingselementen bevat.
een belangrijk hulpmiddel zijn bij de bepaling van het aantal produktielijnen en van plaats en aantal van eventuele onderlinge verbindingen, alsmede bij de keuze van het te gebruiken type afsluitorgaan.
Voor de systemen B, C en D worden krommen gevonden, welke voor grote waarden van a asymptotisch naderen tot de lijnen onder 45" C.
16. Reservoirs Hoewel theoretisch misschien de mogelijkheid bestaat om met behulp van de wachttijden- en voorraadtheorie [2] de invloed van de aanwezigheid van reservoirs op de bedrijfszekerheid quantitatief te benaderen, is schrijver dezes er niet in geslaagd een bn~ikbaremethode te vinden, waarmede in de praktijk kan worden gewerkt.
voor o < a < a1 verdient ontwerp D de voorkeur; voor a1 < a < a2 verdient ontwerp C de voorkeur; voor a2 < a < a3 verdient ontwerp B de voorkeur. Ontwerp A verdient alleen voor relatief grote waarden (a > a3) de voorkeur. Terzijde zij opgemerkt, dat de figuur een enigszins vertekend beeld geeft van de door de computer berekende resultaten. Dit is uitsluitend gedaan terwille van de overzichtelijkheid van de grafiek. Het model, dat met de computer werd geanalyseerd, leverde waarden voor al, a2 en a3 welke dichter bij elkaar lagen dan in de grafiek is aangegeven. De algemene tendens, welke uit de grafiek naar voren komt, was evenwe1 duidelijk aanwezig. Men dient zich voortdurend te realiseren, dat de plaats en onderlinge groepering van eenheden en koppelingselementen grote invloed kunnen hebben op de bedrijfszekerheid van het ontworpen systeem. Bij grotere installaties, waar de totale capaciteit meestal gemakkelijk (en zonder veel extra kosten) over meer dan de gebruikelijke twee produktielijnen kan worden verdeeld, kan een analyse van de gevoeligheid van het systeem voor de storingskans van de koppelingselementen
Het is dan immers noodzakelijk, dat niet alleen de gemiddelde storingskans van de aan de reservoirs voorafgaande fasen kan worden berekend - hetgeen, zoals we hebben gezien, slechts bij grove benadering mogelijk is doch bovendien, dat de kansverdeling van de duur der individuele storingen ter beschikking staat! Omdat hieraan in redelijkheid niet kan worden voldaan, wordt hier slechts volstaan met de opmerking, dat het merendeel van alle storingen van korte duur, welke in de eigenlijke produktiefase optreden, kan worden overbrugd door een beroep te doen op de aanwezige voorraad gereed produkt, welke in reservoirs is opgeslagen. De bedrijfszekerheid van een produktie-installatie wordt dan ook in zeer aanzienlijke mate bevorderd door ruime dimensionering van de reinwaterberging.
17. Theorie en praktijk, conclusies In het voorgaande is relatief veel aandacht besteed aan een mathematische benadering van het bedrijfszekerheidsvraagstuk. Hier zij nogmaals beklemtoond, dat een dergelijke benadering slechts een beperkte bijdrage kan
leveren. Absolute waarde mag aan de uitkomsten van de mathematische methoden nirnmer worden toegekend. Vergelijking van alternatieve oplossingen is in bepaalde gevallen we1 mogelijk en zal soms tot aanvaardbare conclusies kunnen leiden. De mathematische bedrijfszekerheidstheorie vergroot voornamelijk het inzicht in de materie. De theorie zou voor gebruik in de praktijk aanmerkelijk in waarde toenemen, wanneer gegevens over de storingskansen van de verschillende componenten beschikbaar zouden zijn. Voorlopig is het nog niet zo ver en zal moeten worden volstaan met schattingen. Veel factoren, zoals weersinvloeden, fluctuaties in de kwaliteit van het ruwe water, bekwaamheid en improvisatievermogen van het bedienend en onderhoudspersoneel zijn evenzeer van invloed op de bedrijfszekerheid, doch lenen zich niet of bijna niet tot wiskundige formulering. Een andere complicatie is, dat objectieve gequantificeerde criteria voor de bedrijfszekerheid van zuiveringsinstallaties niet beschikbaar zijn. Indien men de bedrijfszekerheid van een ontwerp analyseert, zal blijken, dat toetsing van het ontwerp aan de volgende punten niet mag ontbreken: - een ruime hydraulische opzet;
bregen een noodzakelijke uitbreiding van de installatie uit te stellen tot een tijdstip, waarop de nominale capaciteit van de installatie reeds ruimschoots is overschreden. Uiteraard zal elke toeneming van het waterverbruik en elke wijziging in het verbruikspatroon invloed hebben op de bedrijfszekerheid. Een overschrijding van het nominale vermogen met bijvoorbeeld 5 O/o zal, zoals men gemakkelijk met behulp van de theorie ltan nagaan, in veel gevallen de kans op stagnatie van de waterlevering met een factor 100 of meer kunnen vergroten. Dit houdt in, dat de directies van waterleidingbedrijven een zeer grote verantwoordelijkheid hebben bij het vaststellen van het tijdstip, waarop tot uitbreiding van het produktievermogen moet worden overgegaan. Faalt men in dit opzicht, dan is de publieke opinie hard en soms zelfs onrechtvaardig. Het grote publiek en de industrie verwachten nu eenrnaal van een waterleidingbedrijf, dat bij voortduring voldoende water van voldoende kwaliteit beschikbaar is. Gehoopt wordt, dat ook bij het nemen van een beslissing met betrekking tot het tijdstip van uitbreiding of bij de argumentatie daarvan het behandelde in deze voordracht op enigerlei wijze van nut zal kunnen zijn.
- een flexibele opzet, d.w.z. de mogelijkheid van aan-
passing van het systeem aan veranderende omstandigheden; -
een doelmatige onderlinge groepering en rangschikking van onderdelen, eenheden, subsystemen en produktielijnen, waardoor afschakeling van defecte eenheden enz. mogelijk wordt zonder een te groot verlies aan produktievermogen; afstemming van deze onderlinge rangschikking op het te verwachten verbruikspatroon;
- oordeelkundige plaatsing en goede bereikbaarheid van
de afsluitorganen;
Literatuur
- ruim gedimensioneerde reinwaterberging; - toepassing van eenvoudige, overzichtelijke en snel te
repareren constructies; - inbouwen van voldoende mogelijkheden tot bekorting
van de reparatieduur; -
voldoende reservecapaciteit of snelle uitwisselbaarheid van essentiele onderdelen en eenheden (waterwinningsmiddelen, energievoorziening, pompen, desinfectie- en doseringstoestellen), vooral van die delen van de installatie, welke geen incidentele overbelasting verdragen;
- inbouw van voldoende beveiligingen, signaleringen en
storingsmeldingen; - de mogelijkheid om terstond op handbediening over
te gaan in het geval van een storing van de automatisering of afstandsbediening; - feitelijke of potentiele maatregelen met het oog op
bijzondere omstandigheden (oorlog, fall-out, overstromingen e.d.), wanneer aan kwantiteit en aan hygienische betrouwbaarheid meer waarde wordt gehecht dan aan een mg ijzer meer of minder. 18. Slotoprnerking De aanwezigheid van een redelijke reservecapaciteit kan de exploitant van een installatie dikwijls in de verleiding
1 . Verband tltssett filterst~elkeid, tetttperatuur ett de daarbij bereikfe resultatetz vatt pl~ysiscl~,cllenlisch en bactetiologiscl~ ot~derzoekbij de voorfilters te Leiduitt. Gemeentewaterleidingen Amsterdam, 1967. 2. Gebrztik vat1 ntodert~e statistisclze nlethodetl. Zestiende Vacantiecursus in Drinkwatervoorzienina. 1964. Technische Hogeschool Delft, Af'd. der Weg- en ~aterbouwkunde. 3. Barlow, R. E. and Proschan, F., Methetttatical theory o f reliability. New York, John Wiey & Sons, Inc., 1965.
4. Bazovsky, I., Reliability theory attd practice. Englewood Cliffs, N . J., Prentice-Hall, Inc., 1961. 5. Gnedenko, B. V., Belyayev, Yu. K. and Solovyev, A . D., Mathetitatical metlzods o f reliability tlzeory. New York, Academic Press, 1969. 6. Howard, W. J., Cltaitl reliability - a sinlple failure tttodel for cottlplex tt~echatzisttts.Rand Corp. Res. Memo RM-1058, Mar. 27, 1953. 7. Lloyd, D. K. and Lipow, M., Reliability: tilaftagentetlt, tiletl~odsand ~t~atlteti~atics. Englewood Cliffs, N . J., PrenticeHall, Inc., 1962.
8. Proceeditlgs 1967 Atl~t~tal Sytitposi~ot~ otz Reliabilit)~.Washiigton, D.C., Jan. 10-12,1967. 9. Proceeditlgs 1969 Attnual Syttlposium on Reliability. Chicago, I I I . , Jan. 21-23, 1969. 10. Roberts, N . H., Mathentatical titefl~odsit1 reliability engitleerit~g.New York, McGraw-Hill Book Company, 1964.
A. J. N.HORSTMEIER
Het ontwerp voor winning en zuivering van grondwater 1. Inleiding Het ontwerp voor winning en zuivering van grondwater is het werk van een groep. Deze zal een programma van eisen moeten opmaken, ontwerptekeningen, berekeningen en nota's moeten samenstellen en deze ontwerptekeningen, berekeningen en nota's moeten toetsen aan het programma van eisen. In schema kan dit worden weergegeven als volgt:
en berekeningen
Deze driehoek zal enige malen doorlopen worden in het ontwerpstadium. Soms zal wat aan de eisen moeten worden geschaafd, maar uiteindelijk zal het ontwerp worden aanvaard en is het ontwerpstadium ten einde. In deze voordracht wordt eerst iets gezegd over de eisen en daarna worden de voornaamste onderdelen behandeld aan de hand van de' voor elk hoofdonderdeel te stellen eisen. Het gehele complex voor winning en zuivering van grondwater zal moeten worden ontworpen op basis van prognoses, zijnde een zeer globaal einddoel in grootte en tijdstip. De onderdelen daarentegen moeten worden ontworpen op basis van een programma van eisen, zijnde dit een scherp te formuleren doe1 in grootte en tijdstip. Hiermede komt a1 meteen een eis voor het gehele ontwerp naar voren, t.w. die van flexibiliteit. Voor elk technisch vraagstuk zijn vele oplossingen mogelijk, vaak met behulp van verschillende middelen. De middelen kunnen geput worden uit de bestaande technieken, zij kunnen echter ook ontstaan uit de creativiteit van de ontwerper. Het doen van een keuze uit de beschikbare middelen of de gecreeerde middelen eist een motivering. De zin van deze voordracht is een toelichting te geven op de bestaande en bekende middelen en daardoor behulpzaam te zijn bij het vormen van een motivering voor elk geval apart. In deze voordracht wordt onder grondwater verstaan water dat bacteriologisch betrouwbaar is en dat geen stoffen bevat die het voor de drinkwaterbereiding onbruikbaar maken. In het rapport van Jongmans, Krul en Pos in 1941 uitgebracht aan de Waterleiding Maatschappij Zuid-Limburg is dit genoemd ,,edel grondwater". Wanneer in deze voordracht wordt gebruikt het woord ,,pompstation" dan wordt daarmede bedoeld het gehele complex omvattende de waterwinning, de waterbehandeling, de berging, het pompengebouw voor de levering naar het distributiegebied en de gehele aankleve van dien. 1.1 De eisen voor het ontwerp De eisen aan een ontwerp voor winning en zuivering
van grondwater te stellen zijn in te delen in enige groepen: 1.1.1 1.1.2 1.I .3 1.1.4 1.1.5 1.1.6
Hoeveelheden Plaats Techniek Sociale eisen Esthetics Economie
Over de hoeveelheden is in de voorgaande lessen a1 zoveel gezegd, dat ik hier niet verder op in ga. Over de plaats wil ik slechts zeggen, dat deze be~nvloed wordt door de plaats waar het water nodig is, door de plaats of plaatsen waar goed grondwater is te winnen en door de plaats of plaatsen waar een bruikbaar terrein is te verkrijgen. De techniek zal de leidraad moeten geven voor de winning van het grondwater en vervolgens voor de zuivering van het gewonnen water tot drinkwater dat voldoet aan de eisen zoals die zijn gesteld in de waterleidingwet en het daarbij behorende Koninklijke Besluit en in de richtlijnen van de Vewin. Onder sociale eisen versta ik de ruimten en outillage die in het geheel moeten worden opgenomen om het personeel in staat te stellen zijn werk naar behoren te verrichten. Daaronder vallen behalve de werkplaats, de wasen toiletgelegenheden, koffie-keuken, overblijfzaal en dergelijke. Daarnevens behoort onder de sociale eisen de ruimte die de directie meent te moeten inrichten voor representatieve doeleinden, zoals een hal, een vergaderkamer en dergelijke. Over de esthetica kan slechts gezegd worden, dat van het kapitaal van de waterleidingbedrijven ca. 75 O/o in de grond zit en slechts 25 O/o erboven uit komt. Wanneer aan de gebouwen en werken slechts een klein percentage van de bouwkosten voor esthetische verzorging wordt besteed, is dit van de totale investering een zeer luttel bedrag. Daarnaast mag van een waterleidingbedrijf geeist worden, dat het in zijn gebouwen een symboliek van de reinheid en de betrouwbaarheid geeft van zijn produkt. Over de economie van het ontwerp zal in de laatste les gesproken worden, zodat ik daar hier thans ook aan kan voorbijgaan. 1.2 Hoofdonderdelen van het ontwerp 1.2.1 Waterwinning 1.2.2 Waterbehandeling 1.2.3 Waterberging 1.2.4 Waterlevering 1.2.5 Hoogteschema 2. Bespreking van de hoofdonderdelenaan de hand van de eisen Welke eisen moeten worden gesteld? Welke middelen zijn daartoe beschikbaar of bekend? Welke keuze? 2.1 Waterwinning De eisen kunnen als volgt geformuleerd worden:
Water te winnen in voldoende hoeveelheid dat geschikt is om als grondstof te dienen voor drinkwaterbereiding en dat zodanig beschermd is of beschermd kan worden in de grond dat de blijvende goede kwaliteit gewaarborgd is. 2.1.1 De verkeming Deze zal antwoord moeten geven op de vragen: Waar? Hoeveel? De moderne middelen laten hier ternauwernood een keuze toe. Beschikbaar zijn: het geo-hydrologisch archief van het RID; de geo-elektrische oppervlakte metingen; de verkenningsboringen; de elektrische boorgatmeting; de definitieve put; de pompproef; de vergunning krachtens de Grondwaterwet waterleidingbedrijven. 2.1.1.1 G e o - e l e k t r i s c h e o p p e r v l a k t e metingen (14e vakantiecursus 1962) Deze stellen in staat o m geologische gegevens te verkrijgen en verschaffen een globaal inzicht over de vermoedelijke samenstelling van het water in de verschillende paketten. In aansluiting hierop blijft een proefboring noodzakelijk; de keuze van de juiste plaats van deze proefboringen is door de oppervlaktemetingen echter aanmerkelijk vereenvoudigd. Voor een gebied van 75 krnQelden de volgende gegevens: totale kosten incl. rapport en interpretatie: f 15.000,-. Daarvoor verricht: rond 50 metingen. Duur: 20 dagen. Per krn2: f 200,-. Aantal metingen per dag: 2%. Inlichtingen over de aardkorst tot een diepte van 100 tot 300 m en tevens soms globaal over enkele aspecten van het grondwater (hardheid en chloridegehalte). 2.1.1.2 D e v e r k e n n i n g s b o r i n g e n kumen aan de hand van de resultaten van het geo-elektrisch onderzoek met grote kans op succes worden gemaakt. Keuze uit: pulsboren met verbuizing; - spuitboren: boorvloeistof door boorstang omlaag; - zuigboren: boorvloeistof door boorstang omhoog.
pulsboren
>
- is duur voor diepten 40 m; - duurt aanmerkelijk langer dan spoelboren;
geeft op grotere diepte steeds nauwer worden gat; - geeft een tamelijk goed beeld van de aardlagen, a1 worden de lagen tijdens het pulsen we1 door elkaar gemengd; - biedt de mogelijkheid van onderbreking van de werkzaamheden voor proefpompen. -
1)
D e spoelboring is geenszins modem; reeds in 1602 is aan Pieter Pieterszoon Enten van Houterinck octrooi verleend op deze werkwijze.
aantal te plaatsen waarnemingsfilters afhankelijk van diameter: 0 200 - ca. 6 0 100-ca. 3 spuitboren - diameters tot ca. 9)200 mm; - snelheid van boren tot 10 m per uur; - diameter boorgat nagenoeg constant; - herkenning aardlagen redelijk; - onderbreken werkzaamheden zeer bezwaarlijk. - aantal te plaatsen waarnemingsfilters als boven. Een spuitboring 0 180 mrn, diep ca. 150 m, met 5 waarnemingsfilters, op elk waarvan zolang is gepompt dat ca. 1.000 m3 is onttrokken, kostte anno 1969 rond f 12.000,- inclusief eigen kosten. zuigboren - diameters tot 1,50 m of meer; - snelheid 3 tot 5 m per uur; - diameter boorgat nagenoeg constant;
- herkenning aardlagen redelijk; - onderbreking werkzaamheden zeer bezwaarlijk; - bestemd voor definitieve putten.
2.1.1.3 H e t e l e k t r i s c h b o o r g a t o n d e r z o e k geeft inlichtingen over: de diameter van het boorgat over de gehele diepte; de scheiding tussen lagen klei, zand en veen; de korrelgrootte van de lagen; de hardheid en het chloridegehalte van het water. Kosten voor een boorgat van 200 m diepte ca. f 1.000,-. Dit elektrisch boorgatonderzoek als sluitstuk op de bestudering van de opgeboorde aardlagen geeft een zeer scherp beeld van het profiel van de aardkorst op de plaats van boring. 2.1.1.4 D e p o m p p r o e f moet antwoord geven op de vraag, hoeveel water aan de winplaats kan worden onttrokken; hoeveel water per put kan worden gewonnen; welke invloed wateronttrekking aan de bodem op de omgeving heeft. 2.1.1.5 G r o n d w a t e r v a n b r u i k b a r e k w a l i t e i t is niet in voldoende mate in Nederland voorradig. Dat betekent distributie van de beschikbare hoeveelheden over de gegadigden en afweging van ieders belang daarbij. Daartoe zal de vergunning volgens de Grondwaterwet Waterleidingbedrijven de hoeveelheid moeten aangeven, waarop het waterleidinbedrijf uiteindelijk mag rekenen. Dit gegeven is een van de belangrijke pijlers van het ontwerp. Het kan zijn, dat de verkenning meer plaatsen aanwijst met mogelijkheden voor waterwinning. Dan zal er moeten worden gekozen welk terrein het eerste in exploitatie wordt gebracht. 2.1.2 Het waterwinterrein Volledigheidshalve zij gememoreerd, dat er naast putten onder bepaalde omstandigheden andere manieren van winning van grondwater mogelijk zijn: horizontale winning - watervang onder een afdekkende laag (Landeus,
Zd.-Limburg); - drain (duinen); - galerij (Brussel);
- horizontale putfilters,
geboord uit een verticale schacht (Berlijn, Dusseldorf).
Deze blijven verder buiten beschouwing, als zijnde voor Nederland nog een uitzondering, hoewel horizontale putten ook in Nederland denkbaar zijn, maar dan voor grote bedrijven. De opbrengst moet bedragen 1500 m3/h of meer, aangezien de kosten in de grootte-orde van f 500.000,- komen te liggen; de investering bedraagt in dat geval rond f 300,- m3/h, hetgeen overeenkomt met de investering in verticale putten. In het volgende is dan ook alleen een verhandeling gegeven over het middel: de verticale put. De grootte van de eerste opzet is bekend. De opbrengst per put is bekend. Daarmede het aantal te boren putten. 2.1.2.1 D e k e u z e v a n d e t o e t e p a s s e n materialen voor putten Naast de van oudsher bekende: hout, koper en zijn legeringen, porselein e.d., zijn beschikbaar: roestvast staal, kunststoffen, zoals - PVC, - polyester, - kunsthout, - e.a. staal door kunststof bekleed. Enlcele kenrnerkende grootheden van materialen, waarvan filters worden gemaakt zijn in de bovenstaande tabel aangegeven. Voor de kunststoffen moet de eis worden gesteld, dat er uit medisch oogpunt geen bezwaren bestaan tegen het contact van deze stoffen met voor de consumptie bestemd water. In het bijzonder moet voor de kankerverwekkende stoffen worden gewaarschuwd. De fabrikant moet een certificaat van geen bezwaar bij de toegepaste kunststof leveren ingeval er een nieuw produkt wordt voorgesteld. De genoemde materialen worden ook voor de stijgbuis gebruikt. Daarnaast, voor de stijgbuis in combinatie met een metalen filter, ook asbest-cement. 2.1.2.2 D e w i j z e v a n g e b r u i k v a n d e p u t kan zijn als zuigput en als individueel bepompte put. Dit laatste bij voorkeur door rniddel van een onderwaterPomp.
Met de wijze van gebruik hangt samen de putkopconstructie. Voorkeur moet worden gegeven aan individuele bepomping: juiste opbrengst van de put is te controleren; scherpe controle op de afpomping bij een bepaald debiet; terreinleidingen komen onder overdruk, zodat lekkage aan het daglicht treedt als ,,lev. Lekkage in zuigleidingen wordt gemeld via vacuumpomp of - erger - via bacteriologisch slechte resultaten. Alleen als het winterrein slechts een groot aantal kleine putten (< 10 m3/h) mogelijk maakt, zullen zuigleidingen moeten worden geaccepteerd. Naarmate onze bevolking groeit, is meer water nodig. Bovendien vertoont het verbruik per hoofd jaarlijks nog een lichte stijging. Daarnaast neemt de mobiliteit van de bevolking toe, hetgeen leidt tot een toenemende behoefte aan recreatieterreinen. Op zichzelf een verheugend verschijnsel. Echter, vele terreinen die door toeristen worden bezocht - zoals bos en heide - zijn vaak tevens terreinen waar grondwater van goede kwaliteit is te winnen. Om de vervuiling, die het natuurlijk reinigend vermogen van de bodem te boven gaat, tegen te gaan, zal enerzijds aan de grenzen van het terrein duidelijk moeten worden aangegeven, dat men een waterwingebied betreedt, anderzijds zullen aan de putkopconstructie zeer hoge hygienische eisen moeten worden gesteld. Het grootste gevaar voor bezoedeling van het grondwater treedt op in de buurt van de putten, waar de afpomping het grootst is en waar over de gehele hoogte van de put de grond geroerd is. 2.1.2.3 E i s e n , w a a r a a n d e p u t k o p m o e t v o l d o e n, verdienen aparte vermelding: Bescherming bieden tegen verontreinigingen die van maaiveld langs de putconstructie het grondwater kunnen bezoedelen; Fundatie bieden voor pompaggregaat bij individueel afgepompte put; Plaats bieden aan meetinstrumenten of aan aansluitpunten voor deze instrumenten; Zettingen van de put ten opzichte van de terreinleidingen opvangen; Toegang geven tot de put voor werkzaamheden; De overgang vormen van verticale leiding (put) naar horizontale leiding (ruwwaterleiding); Esthetisch verantwoord element in de omgeving vormen.
Hout orang)
Koper (bmgperforatie)
Roestvaststaal (brugperf.)
Bekleed staal
kgf /cm2
ca. 10001)
2000 B 3000
5000 21 7000
1400 B 1800
ca. 1002)
ca. 150
E kgf /cmz
a.1,s x 106
1,15x 106
2,l x 106
2,l x 106
ca. 3x1012)
0,6 B 2 x 106
f 100,f 115,f 145,-
f 240,f 265,f 360,-
f 160,f 180,f 240,-
f 145,f 160,-
6-8940
6 30 qo
6-30%
6-15%
prijs ml 0 250 0 300 0 400 Openingsverhoudiig3)
-
Plastiek @vc)
f 80,f 100,-
Polyester
-
f 230,-
f 140,4 - 10%
6%
D e opgegeven prijzen zijn van december 1969, zijn globaal en golden voor in het werk gebrachte filters. De lengte van de elementen bedraagt ca. 3 tot 5 ml ; bij PVC kan deze tot 10 m gaan. Polyester alleen in lengten van 1 en 2 m.
1) Treksterkte in de vezelrichting. Druksterkte in de vezelrichting ca. 750. 2) Bij een temperatuur van 2 0' C. 3) Dat is de totale oppervlakte van de openingen t.0.v. de totale oppervlakte van het filter.
GROFZAND
-
Afb. 1 Purkop constructie als diepe schacht op een zuigput; boorgat diam. 1000 mm.
-
Afb. 2 Purkop uitgevoerd als kelder, waarin pomp en meetinstrument; put is artesisch.
Aan de hand van enige voorbeelden zullen deze eisen besproken worden. Afb. 1 geeft een putkopconstructie op een put, die geboord is met een diameter van 1000 mm en waarin een filter van 9) 400 mm is gesteld. De afdekkende plaat heeft een doorsnede van 2,70 m. De diepte van de schacht is ca. 5 m. De ringvormige ruimte tussen fundatieplaat en stijgbuis is afgesloten met een tweetal rubber ringen, zodat zettingen mogelijk zijn; er kan echter geen vuil water binnendringen in de put. Het boven maaiveld uitstekende gedeelte beperkt zich tot het schachtdeksel. De put is als zuigput in gebruik (Spitzigerberg - Duitsland). De put in afb. 2 is beschermd tegen binnendringend oppervlaktewater door een plaat van ruime afmetingen. De plaat is tevens fundatie voor de putkelder. Put, putkelder, leidingwerk en pomp zijn soepel aan elkaar verbonden. Ook de overgang naar de horizontale terreinleiding staat enige zetting toe. Een meetschijf is in de horizontale leiding gebouwd. Het opzetstuk met afsluiter is aangebracht om de stijgbuis te kunnen verlengen tot boven de stijghoogte van het water; dit voor het geval werkzaamheden in de put zelf moeten worden verricht, zoals het inbrengen van apparatuur voor het sectiegewijze afpompen van de put. Bovengronds zijn de afmetingen van de dekplaat met toegangsluik rond 190 x 320 m. Nu de onderwaterpompen hoe langer hoe meer toepassing vinden, is bij de Waterleiding Mij. Gelderland gestreefd naar een constructie, waarbij bovengronds niets meer uitsteekt dan noodzakelijk is. In het bijzonder is gedacht aan die waterwinplaatsen, die in natuurgebieden liggen. Dit streven heeft geleid tot de constructie zoals in afb. 3 is aangegeven. De afsluitende plaat van 2 m x 2 m is aangebracht ter afsluiting van de geroerde grond. Tevens doet deze plaat dienst als fundatie voor onderwaterpomp, putkopconstructie en opzetkoker. Om deze opzetkoker wordt een schutkoker met deksel geplaatst. In de hangpijp van de onderwaterpomp is aangebracht een meetschijf; de meetleidingen komen in de schutkoker uit. De schutkoker wordt tegenwoordig van polyester gemaakt. Afb. 4 laat de fundatieplaat nog eens zien. Afb. 5 geeft een blik op de bovenflens van de putconstructie. 2.1.2.4 D e o n d e r l i n g e a f s t a n d t u s s e n d e p u t t e n kan als een kostenvraagstuk worden gezien. gunstig grote afstanden geringe afpomping t.g.v. minder onderlinge belnvloeding d.w.z. lagere stroomkosten
ongunstig meer leidingen meer terrein en kabels
In het algemeen geldt de regel de afstanden niet groter te nemen dan hydrologisch noodzakelijk is. 2.1.2.5 D e t r a n s p o r t l e i d i n g e n moeten in de uiteindelijke toestand dubbel zijn uitgevoerd. Zie overigens punt 2.3.
De verschillende methoden van beluchting zijn in de 20e Vakantiecursus in drinkwatervoorziening in 1968 behandeld. Sedertdien zijn in H z 0 1969 nr. 22 nog publikaties verschenen van Van der Kroon en Schram, terwijl in hetzelfde tijdschrift van 11 december 1969 over aeratie van afvalwater is gepubliceerd. Volstaan zij met het volgende overzicht van veel toegepaste beluchtingsmiddelen in de drinkwaterbereiding. per 1000 m3/h
Sproeien Cascade Venturibuis Putbuis of torenbeluchter
I
Afb. 3 - Putkop in schutkoker met orldenvaterpon~p.
2.2 De waterbehandeling Als cis van de waterbehandel@ kan gesteld worden, dat met bet gevonden grondwater als uitgangs~unt, drinkwater wordt geproduceerd dat voldoet aan de eisen van de wet, het koninklijk besluit en de aanbevelingen van de Vewin. Grondwater heeft het voordeel, dat de chemische samenstelling vrij constant is, hoewel op korte termijn we1 eens verschillen worden geconstateerd in het gehalte aan Con. Een dergelijk verschijnsel doet zich voor bij grondwater, dat een betrekkelijk korte tijd onderweg is geweest van regenwater tot grondwater (zandgronden zoals Veluwe - 't Gooi). Op langere termijn wordt soms we1 verandering van samenstelling geconstateerd doordat na exploratie het grondwater wordt aangevuld met water van andere samenstelling (Betuwe-Lienden). Er zijn plaatsen waar grondwater wordt aangetroffen, dat geen behandeling behoeft en eveneens plaatsen waar een zeer uitgebreide behandeling met inbegrip van dosering van chemicalien noodzakelijk is. Aan het ontwerp voor een zuivering van grondwater tot drinkwater zal altijd de ervaring met een proefinstallatie vooraf moeten gaan, waarbij zorgvuldig moet worden onderzocht: de wijze van beluchting; de wijze van filtrering; - eventueel dubbele filtratie; de korrelgrootte van filtermateriaal; - gebroken of ongebroken materiaal; de samenstelling van het filterbed; de eventuele toediening van chemicalien; de plaats waar de toediening van chernicalien moet plaatsvinden. Hieronder mede te verstaan die, welke voor een eventuele ontharding nodig zijn. 2.2.1 De beluchting medegeven als noodzakelijk is voor het Eisen: zoveel 0% te behandelen water; eventueel ontgassing; zo voordelig mogelijk.
energie per onderhoud kglopgenomen per jaar zuurstof
plaatsruimte
bouwkosten
100 m2 40 m2
f 50.000,f 80.000,f 20.000,-
f 5.000,f 1.000,-
0,5 - 0,8 kwh 0,s - 0,7 kwh 0,6 - 0,7 kwh
f 10.000,-
f 1.000,-
0,2- 0,4kwh
2.2.2 De filtratie 2.2.2.1 E i s e n : afscheiding van ongewenste verbindingen; betrouwbaar; hoog rendement. De snelfiltratie is behandeld in de 19e Vakantiecursus in drinkwatervoorziening 1967. Ook het ontwerp van de snelfilterinstallatieis in die cursus besproken. 2.2.2.2 M i d d e 1e n - open of gesloten filters; - voor gesloten filters keuze uit: opstelling binnen een gebouw of in de open lucht; - nat of droog filter;
- filtermateriaal: magno zand - fijn of grof - gebroken of ongebroken Afb. 4
- Furtdatieulaat.
-
Afb. 5 Bovenflens van constructie volgens afb. 3: elekfrische aanduiting voor pomp; twee peilbuizen in de ornstorting; t i n peilbuis in de put; doorvoer voor kabel en meetleidingen; proefkraan en manometer.
zand, afgedekt met een laag anthraciet
- filterbeddikte; - filterbodem constructie; - filterfront:
schuifafsluiters membraanafsluiters manchet af sluiters vlinderklep zwaaiklep filterregulateur - wijze van bediening: hand hydraulisch pneumatisch elektrisch combinatie van elektrisch met hydrauliek of pneumatiek - plaats van dosering chemicalien. 2.2.2.3 V o l a u t o m a t i s c h f i l t e r b e d r i j f 1. Het filterspoelproces moet in werking worden gebracht door de weerstand van het filter. 2. Elke volgende actie mag eerst gebeuren, nadat de vorige actie geheel voltooid is; terugmelding van een voltooid gebeuren moet plaatsvinden. 3. Elk filter moet een apart programma kunnen krijgen. 4. Ingrijpen met de hand moet mogelijk zijn. Ter toelichting op punt 3 nog dit: Ogenschijnlijk is men geneigd om alle filters hetzelfde behandelingsprogramma te geven; er moet echter rekening mede worden gehouden, dat &n van de filters een reparatie ondergaat en, gedeeltelijk van nieuw materiaal voorzien, weer in bedrijf wordt genomen en dan niet direct kan werken op de capaciteit van de andere filters. Hierbij zal zeer zeker nodig zijn, dat ook een afwijkend spoelprogramma wordt ingesteld. Dat moet in de automatische installatie opgenomen zijn of kunnen worden. 2.2.2.4 O v e r w e g i n g e n e n e n k e l e a a n wijzigingen voor het ontwerp Voor gesloten filters zijn tot nog toe altijd stalen ketels gebouwd. In de toekomst zal zeker ook rekening moeten worden gehouden met een toepassing van kunststof. Op het ogenblik is polyester nog duur, maar prijzen kunnen veranderen. Dan zal er ook rekening mee moeten worden
gehouden, dat de vorm gewijzigd wordt. Een voor kunststof geeigende vorm zal dan moeten worden ontwikkeld en deze kan zeker afwijken van wat tot nog toe in metaal gebruikelijk is geweest. Als filtermateriaal heeft in het verleden zand en magno zijn toepassing gevonden, heel vroeger ook cokes en andere materialen. Tegenwoordig wordt veel succes geboekt, volgens de Amerikaanse literatuur, met een laag anthraciet ter dikte van 60 cm & 1 m op een laag zand als filterbed. De bedoeling is, dat het bergend vermogen van het anthraciet uitgebuit wordt, omdat het vele malen groter is dan dat van zand. In hoeverre of dit tot uiting komt bij grondwaterbedrijven,moet worden afgewacht. Tevens zal moeten blijken, of de looptijd daardoor verlengd wordt en vooral, of de snelheid opgevoerd kan worden. Zo dit voor nieuwe pompstations niet van een dergelijke importantie lijkt te zijn, voor oude pompstations is het van zeer veel belang, want het is CBn van de goedkoopste wijzen om een pornpstation uit te breiden. In dit verband zijn wij dan ook zeer belangstellend naar de proeven die op het ogenblik bij Noord-West-Brabant gaande zijn. Bij het woord ,,filterfront" zal niet direct meer moeten worden gedacht aan de plaats vlak voor het filter. Voora1 voor grotere filters met zware afsluiters en een bediening door hydrauliek of pneumatiek of gecombineerd met de elektriciteit, zal de plaats van de afsluiter zodanig moeten zijn dat deze logisch in het geheel zit. Bij filters, die buiten opgesteld zijn, kan daarom die afsluiter zeer goed op enige afstand van het filter zijn omdat deze afsluiter met zijn leidingen en zijn bedieningsapparatuur een vorstvrije opstelling gegarandeerd moet hebben. Constructie van filterfront en keuze van afsluiters hangen dan ook nauw met elkaar samen. Ter illustratie van het ontwerp voor nieuwe pompstations enkele opnamen van een in aanbouw zijnde proefinstallatie op een terrein in de gemeente Nijkerk ten noorden van Amersfoort. Hier is in ontwerp een pompstation, dat voor een klein gedeelte zal moeten dienen voor suppletie van water aan de bestaande voorziening, maar waarvan een groot gedeelte dienst zal doen als proefinstallatie, omdat op dit terrein t.z.t. een pompstation moet worden ontworpen met een uurcapaciteit van 1500 m3/u uitlopende tot 3000 m3/u en verder. Over de dosering heeft de proefinstallatie uitsluitsel gegeven. Voor het ontwerp zal een beslissing moeten worden genomen over: - volume dosering of gewichtsdosering; - droge dosering of natte dosering; - eventuele wijze van aanmaken van de chemicalien; - het interne transport van de opslagplaats naar de plaats van aanmaak of dosering; - de opslagruimte. Bovendien moet eraan gedacht worden, dat de chemicalien in droge toestanden tegenwoordig veelal in bulk worden aangevoerd en dan met perslucht of op andere wijze in de opslagplaatsen worden afgeleverd. Hieraan komt geen handenarbeid meer te pas. Voor de opslag moet rekening worden gehouden met een mogelijke klimaatregeling om het vochtgehalte op de juiste waarde te houden. Bij de dosering wordt ook aan de ontharding gedacht. Deze kan aan het eind van het proces apart worden uitgevoerd, hetzij door middel van ionenuitwisseling het-
zij door middel van kalktoevoeging. Er is echter ook een ontharding in combinatie met ontijzering die dan aan het begin van het proces plaatsvindt in de spiractor.
verrninderde kwaliteit, dat echter voor vele doeleinden en zeker voor de consumptie nog zeer goed geschikt is.
In het ontwerp behoort bij de chemicaliendosering ook aandacht te worden besteed aan een dosering van chloor uit hoofde van veiligheid. Deze veiligheid kan vereist worden door oorlogsomstandigheden en tijden van spanning of oproer, maar ook een besmetting op het pompstation dan we1 in het net kunnen een chloring noodzakelijk maken.
2.4 Berging 2.4.1 De eisen aan de berging te stellen 1. De inhoud moet berekend worden in verband met de verbruikswisselingen. 2. De inhoud moet tevens bestemd zijn om een produktieonderbreking ten gevolge van het spoelen van filters te overbruggen; hierbij ook te berekenen de hoeveelheid benodigd spoelwater. 3. De berging moet uit tenminste 2 delen bestaan in verband met onderhoud, schoonmaak en dergelijke. 4. De toevoer, de afvoer en de overloop moeten op de juiste capaciteit worden berekend. Daarbij moet in het bijzonder gelet worden op de diameter van de overloop; deze moet zo groot zijn, dat de maximum capaciteit van het filterproces kan worden verwerkt, indien de automatiek faalt. 5. Het water moet tegen besmetting beschermd zijn; in het bijzonder te letten op de juiste constructie van de ademhalingsopeningen, toegangsluiken, het waterslot in de overloop en dergelijke; hieruit volgt ook de eis, dat de bodem van de kelder hoger moet liggen dan het grondwaterpeil. 6. Berging moet dienen om er de inschakeling en de uitschakeling van het filterproces aan te ontlenen. 7. Het water moet bij binnenkomst in de kelder eventueel een nabeluchting kunnen ondergaan. 8. Bij een laag gebruik, terwijl het filter op volle capaciteit werkt, moet voor een goede menging van het nieuwe en het oude water worden gezorgd. Tevens moet worden voorkomen, dat er dode hoelten in de berging ontstaan.
Voordat ik nu afstap van het hoofdstuk Waterbehandeling, wil ik nog eenmaal wijzen op het buitengewoon belang van het programma voor de proefinstallatie. In dit programma moeten alle punten in het voorgaande aangestipt een plaats krijgen. De gegevens van de proefinstallatie zijn dan ook van buitengemeen belang voor een goed ontwerp. 2.3 D e transportleidingen o p het terrein v a n her pon~pstation
De eisen, waaraan de leidingen op het terrein van het pompstation moeten voldoen, spreken voor zichzelf: ze moeten voldoende capaciteit hebben om het water van het ene punt naar het andere punt te geleiden; ze moeten dubbel zijn uitgevoerd zoals ook reeds is geeist onder punt 2.1.2.5 voor de transportleidingen van het ruwe water; ze moeten op geeigende punten van T-stulcken zijn voorzien om de leidingen schoon te kunnen maken met behulp van een prop. Daarnaast moet nog de eis gesteld worden, dat er een directe verbinding is tussen de ruwwaterleiding, die het water van het waterwinterrein aanvoert naar het filtergebouw, en de zuigleiding van de reinwaterpompen uit de kelder. Derhalve buiten alle filters om. De noodzaak van deze leiding komt voort uit veiligheidsoverwegingen, die onder zeer benarde omstandigheden kunnen optreden. Gedacht wordt weer aan oorlogsomstandigheden, ook omstandigheden waarbij met mogelijke sabotage wordt gedreigd, omstandigheden zoals eerder vermeld van een fall out tengevolge van een ongeluk in vredestijd, en tenslotte gewoon aan een rampzalig gebeuren in het pompstation zelf. Men staat onder dergelijke omstandigheden voor de keuze om geen water te leveren of water te leveren van
-
Afb. 6 Pompstation in borcw waarvall de filterketels in de open lucltt k o n ~ e ~ ~ . 111 ket geborcwtje konzen de reirt~~aterpoinpettetz de elektrische installatie. O p de acl~tergrondt~veeverticale filterketels, op de voorgrond twee ketels die als berging zulle~twordeil gebrtcikt. -
- -
-
-
Als toelichting op deze punten eerst iets over de inhoud. Daar heeft de heer Venhuizen in zijn les over gesproken. I k wil hieraan toevoegen, dat de hoeveelheid die vereist wordt in verband met de wisselingen in het verbruik, niet uitsluitend op het pompstation behoeft te worden opgeslagen. Het is zeer goed mogelijk, dat een deel, zelfs een belangrijk deel, daarvan in het net wordt geborgen in watertorens of andere reservoirs. Bij een eventuele berekening moet met deze reservoirs rekening worden gehouden. De inhoud onder punt 2 bedoeld behoort echter we1 op
Afb. 7 - Dezelfde installatie als in afb. 6 van de andere zijde. Op de voorgrond een horizo~lfalefilterketel verdeeld in twee compartimenten, elk gevoed met door een venturibuis belucht water. Rechts de verticale ketels, die water ontvangen via een ,,toren" beluchter. -
--
-
-
het pompstation thuis. In het bijzonder moet bij automatische spoeling eraan gedacht worden, dat dan het filterproces op uren van hoogverbruik kan worden onderbroken. Er is dan een onderbreking in de produktie, terwijl er tevens water onttrokken wordt aan de voorraad om het filter te spoelen. Deze gebeurtenissen behoeven geen ramp te zijn, als bij de inhoudsbepaling van de berging hiermede rekening wordt gehouden. Volledigheidshalve zij er in deze op gewezen, dat de inhoudsbepaling moet worden gedaan tot aan de inschakelstand van het filterproces. Het kan namelijk voorkomen, dat bij volledig automatisch werkende pompstations de kelderstand, waarbij ingeschakeld moet worden, juist bereikt is op het moment dat de verbruiken groot gaan worden, groter dan de filtercapaciteit. De inhoud van de schijf water in de berging tussen inschakelstand van het filterproces en uitschakelstand van dat proces is dan niet beschikbaar. Het kan echter, dat men hiertoe maatregelen neemt, bv. door het filterproces in tijden dat hoge verbruiken worden verwacht, in te schakelen op tijdklok, zodat men er we1 zeker van is, dat op de uren dat de grote verbruiken gaan optreden over een gevulde berging wordt beschikt. 2.4.2 De middelen Het materiaal, waarvan de berging gemaakt wordt, is: 1. gewapend beton in traditionele uitvoering; 2. voorgespannen beton; 3. staal. Reservoirs van traditioneel gewapend beton kunnen rechthoekig van vorm zijn, cilindrisch als we1 veelhoekig; voor vb6rgespannen beton en staal is de cilindervorm het meest aangewezen. Ook voor de bouw van reservoirs zal in de toekomst wellicht kunststof CCnmaal toepassing vinden. De prijs speelt hierbij een belangrijke rol. Wordt de berging als apart gebouw uitgevoerd, en niet als een onderdeel van bijvoorbeeld het filtergebouw, dan wordt de keuze van het materiaal beheerst door de volgende factoren: - grootte van het reservoir; - hoogte van het reservoir; - toelaatbare druk op de bodem; - moet het reservoir - voorzover bovengronds gelegen -worden aangeaard of niet; Afb. 8
- Kosten bouwreservoirs (medio '69).
ton
Afb. 9
- Weterinvoer via cascade en injecteur.
- de prijzen van beton en staal ,,in het werk gebracht". Een grote hoogte (ca. 8 B 10 m) van het reservoir geeft grote hoogteverschillen in de waterstand, waardoor de levering van de reinwaterpompen wordt bei'nvloed; bouwkundig zou deze hoogte echter voordelig kunnen zijn. Toepassing van traditionele beton eist: - zodanige fundering dat slechts geringe zettingen ver-
wacht mogen worden en dat ongelijke zettingen zijn uitgesloten; - bekleding van de buitenzijde, dakplaat en wanden, zodat deze tegen grote zonnewarmte zijn gelsoleerd; (bekleding hetzij door een grondlichaam, hetzij door aluminium platen, baksteen, e.d.); - eventueel bescherming van de binnenzijde van de wanden en vloer tegen agressief water. Voor voorgespannen beton gelden de eerste en de derde eis, niet de tweede. Voor staal geldt de eerste eis niet; zettingen kunnen ongedaan gemaakt worden door het reservoir op te vijzelen en met zand te onderspuiten. Bij staal vereist bekleding van vloer, wand en dek, zowel inwendig als uitwendig een tamelijk kostbaar procCd6, dat zeer zorgvuldig moet worden gevolgd (ca. f 35,- m2). De moderne verven, die voor bekleding van staal zeer geschikt zijn, kunnen niet alle toegepast worden in drinkwaterbedrijven. De eis moet worden gesteld, dat deze verven geen stoffen bevatten, die gevaarlijk voor de volksgezondheid kunnen zijn. Moeten stalen reservoirs aangeaard worden, dan zijn extra versterkingen aan de wand nodig om te voorkomen, dat het reservoir ingedrukt wordt als het ledig is. Samenvattend kan globaal gezegd worden dat - bij de huidige (dec. 1969) prijzen van staal en beton - het voordeliger is om een reservoir van 3.000 m3 inhoud te bouwen in beton, als: - de fundering geen bijzondere voorzieningen vereist; - en het reservoir moet worden aangeaard (esthetische eis); en te bouwen in staal, als: - zou moeten worden geheid en - het reservoir niet behoeft te worden aangeaard.
Ajb. 10 - Afwerke~z buiterlzijde stale11 reservoir met behzrlp van eert werktetlt.
In afb. 8 zijn prijzen van reservoirs, uitgevoerd in beton en in staal, gegeven per m3 waterinhoud. Er zijn alleen cijfers verzameld van reservoirs, die in de laatste drie jaren gereed zijn gekomen. 2.4.3 Enkele suggiesties i.v.m. het ontwerp Indien een nabeluchting van het water in de berging noodzakelijk is, dan kan het water bij het binnenkomen over een cascade worden geleid.
Voor een goede mening van het aangevoerde water en het reeds aanwezige water is een injectiebuis onder in het reservoir een doeltreffend middel. Door deze injectiebuis ontstaat een schieteffect, waardoor de inhoud van het gehele reservoir in beweging blijft en het verse en het aanwezige water goed wordt gemengd. In afb. 9 is een tekening gegeven van zulk een toegepaste constructie. In afb. 10 is nog een opname gegeven van de afwerking aan de buitenzijde van een stalen reservoir. Dit gebeurt met behulp van een werktent die een hoogte heeft gelijk aan de wand van het reservoir en een breedte heeft van ca. 7 m. De werktent biedt de mogelijkheid om bij slecht weer door te werken; aan de ene zijde staat een staalstraler het materiaal blank te maken, terwijl aan de andere zijde van de tent het blankgemaakte materiaal met de eerste laag beschermverf wordt behandeld. Tenslotte rijst de vraag, of niet Cknmaal in de verdere of nabije toekomst een reservoir zal worden gebouwd, waarbij de constructie wordt toegepast, zoals die voor spaarbekkens gebruikelijk is, bv. voor het Braakmanbekken. Hier is de waterdichtheid verzorgd door een folie van kunststof; de afdekking zal plaats kunnen vinden door een kunststofplaat op een lichte onderbouw. Dit zal dan we1 een reesrvoir met een inhoud moeten worden in de grootte-orde van 50.000 m3 of meer. 2.5 De waterlevering 2.5.1 Eisen: 1 . Het water in de vereiste hoeveelheden te leveren onder de daarbij noodzakelijk zijnde druk; 2. Naast het noodzakelijke leveringsvermogen moet een reserve aanwezig zijn. 2.5.2 Middelen 1. pompen 2. elektriciteit
2.5.3 Enkele overwegingen en aanwijzingen voor het ontwerp In een modern ontwerp worden alleen nog centrifugaalpompen toegepast voor de reinwaterpompen. Voor deze pompen heeft men de keuze uit horizontale pompen, verticale pompen, dompelpompen en onderwaterpompen. Horizontale en verticale pompaggregatenl) hebben een beter rendement dan dompelpompen en onderwaterpompen. Daartegenover staat, dat dompelpompen en onderwaterpompen minder bouwruimte vragen. Bij een keuze tussen horizontale en verticale pompen gelden de overwegingen, dat bij verticale pompen - rninder bouwoppervlak nodig is; - de motor in geval van buisbreuk in de pompenruimte langer droog blijft; - voor reparatie aan de pomp, eerst de elektromotor moet worden gelicht, hetgeen de werkzaamheden verlengt.
Enige voorbeelden voor het opstellen van de reinwaterpompen geven de af beeldingen 11 t / m 13. Als vierde mogelijkheid: een onderwaterpomp in de reinwaterberging hangen en daarmede direct het water onder druk het net in pompen. Daarmede vervalt de pompenruimte in het ,,pompengebouw". Voor grote onderwaterpompen met een gunstig rendement moet een dergelijke oplossing zeker worden overwogen. Het rendement van de onderwaterpompen mag ongunstiger zijn dan van een bovenwaterpomp; daar staat een aanmerkelijke besparing aan kosten voor bouwruimte en zuigleidingen tegenover. Deze gedachte leidt ook tot de overweging om het pompengebouw boven op het eerste te bouwen reinwaterreservoir te zetten. In ieder geval moet boven de pompen en boven de daarbij behorende hulpstukken zoals afsluiters, keerkleppen e.d. een kraanbaan worden aangebracht met een hef- en 1)
Pomp en elektromotor samengebouwd.
Afb. I 1
-
OpsteNing verticale pomp.
die in geval de hoeveelheidsbesturing faalt, zorgen, dat er toch pompen blijven lopen. De hierbij enige tijd te lage druk zou kunnen worden afgeleverd, zal moeten worden geaccepteerd. Bij de bespreking over dit ontwerp is er van uitgegaan, dat het pompstation op het openbare elektriciteitsnet zal worden aangesloten en dat elektriciteit zal worden gebruikt als energiebron. Ook als de omstandigheden zodanig zijn, dat eigen energie opgewekt moet worden, zoals bv. in Rotterdam bij het pompstation Berenplaat het geval is, dan zal nog veel energie omgezet worden in elektrische energie, omdat deze zich zeer gemakkelijk laat verplaatsen en zeer soepel is toe te passen. De elektrische energie is te krijgen voor het aandrijven van een motortje van een scheerapparaat, maar ook voor het aandrijven van een motor van enkele duizenden pk's. Ze is verkrijgbaar in spanningen, die variben van 10.000 Volt via 3.000 Volt naar 380 Volt en 220 Volt.
Afb. 12
- Opstelling verticale pomp.
transportvermogen, dat is afgestemd op het gewicht van de uiteindelijk te plaatsen pompen. In het geval de pompen in een ha1 worden opgesteld moet rekening worden gehouden met een buisbreuk en inundatie dientengevolge. Teneinde de schade in zo'n geval te beperken, kan op een ge6gende hoogte een nooduitlaat in de wand van de ha1 worden aangebracht. Bovendien moeten alle schakelaars, meetapparatuur en verdere voor water kwetsbare toestellen die op de muur van de ha1 moeten worden aangebracht, boven het peil van deze nooduitlaat worden gemonteerd. Het aantal pompen en de wijze van besturing hangen van de aard van het verzorgingsgebied af en van de gehele of gedeeltelijke automatisering van het bedrijf. Is in het verzorgingsgebied berging aanwezig, dan kan de besturing plaatsvinden op de waterstand van deze berging. De waterstand kan overgebracht worden via een kabel, waarna de standen gebruikt worden om een reinwaterpomp in- en uit te schakelen. Bevindt zich in het verzorgingsgebied geen berging, dan blijft de keuze om de pompen te besturen door middel van de druk in de uitgaande leiding of door middel van de hoeveelheid die gevraagd wordt. Besturing door middel van drukschakelaars komt in aanmerking, als het pompstation nabij het verzorgingsgebied ligt en met dit verzorgingsgebied door zware leidingen is verbonden. Onder dergelijke omstandigheden zal de druk steeds binnen tamelijk nauwe grenzen varieren. Ligt echter het pompstation - zoals bij streekwaterleidingen veelal het geval is - ver van zijn verzorgingsgebied af, dan zal rekening moeten worden gehouden met drukverliezen in de transportleidingen. Vanzelfsprekend zijn deze drukverliezen groter naarmate de hoeveelheden te verpompen water groter worden en de afstanden groter worden. Dan zal ook niet meer gewerkt kunnen worden met samenlopende pompen. In dat geval is hoeveelheidsbesturing op zijn plaats. Aangezien uit een oogpunt van veiligheid de hoeveelheidsbesturing iets minder betrouwbaar moet worden geacht dan de drukbesturing, is het noodzakelijk om over de drukbesturing een of twee drukschakelaars te zetten,
In het voorgaande is reeds gesproken over het gebruik van de elektriciteit voor het overbrengen van commando's, voor het overbrengen van informaties en voor het leveren van de energie voor de pompen. Aan de ruimte, waar de elektrische installatie zal moeten worden opgesteld, moet veel aandacht worden besteed, want dit zal het hart van het hele bedrijf worden. Zeer zeker naarmate de automatie toeneemt. In navolging van het bedrijf op olieraffinaderijen is we1 eens gedacht aan het opstellen van de reinwaterpompen in de open lucht. In onze klimaatzone op 52" N.Br. moet echter van iets dergelijks worden afgezien. In tijden van laagverbruik zullen toch een aantal pompen stilstaan, terwijl er zich water in bevindt. Bij vorst moeten er dan zeer uitgebreide en ook kostbare maatregelen worden getroffen om bevriezing van de pompen tegen te gaan. Bovendien brengt plaatsing in de open lucht mede, dat er een groot gevaar voor besmetting is als aan de installaties moet worden gewerkt. Deze kunnen dan moeilijk worden afgeschermd en zeer zeker geldt dit voor tijden van slecht weer. En ook hier zal bij vorst de grote moeilijkheid optreden, dat er een kans op is, dat het water bevriest, terwijl men de leidingen open zou hebben. Dan nog te denken aan het personeel, dat de werkzaamheden onder die omstandigheden moet verrichten. Persoonlijk meen ik, dat van een dergelijk ontwerp niet veel heil te verwachten is. Gemeenlijk worden de pompen in een ha1 geplaatst, waarbij de opstelling van de elektrische ruimte in de buurt wordt gehouden. In dit gebouw, waar deze ruimten in zijn geprojecteerd, zal ook plaats moeten worden gevonden voor het noodstroomaggregaat. Daarnaast zullen in dit gebouw veelal de ruimten moeten worden gevonden of geprojecteerd die in de inleiding zijn genoemd, de sociale ruimten. 2.6 Het hoogteschema Een zeer belangrijk onderdeel van het gehele ontwerp is een schema van de hoogteligging van de hoofdbewerkingen ten opzichte van elkaar. Dit schema kan opgesteld worden, zodra na de resultaten van de proefinstallatie de keuze gemaakt wordt over de wijze van beluchting, de vorm van de filters, het aantal filterfasen, de opslag van het reine water en de keuze van de reinwaterpompen. In afb. 14 zijn twee hoogteschema's gegeven voor eenzelfde behandelingsproces. Indien het proces onder ,,eigen verval" doorlopen wordt,
nen met een percentage van de uiteindelijke capaciteit van het pompstation, dan lijken gesloten ketels een soepeler beleid toe te staan dan open filters, omdat de gesloten ketel gemakkelijker bij te plaatsen is. Toch zal elk geval moeten worden uitgerekend, daar het antwoord be'invloed wordt door: het aantal fasen waarin de uiteindelijke capaciteit zal worden bereikt; het vermoedelijke aantal jaren tussen twee fasen; de verhouding tussen staal- en betonprijzen; de grootte van de eenheden in staal resp. beton; de rentevoet. Hierbij te bedenken, dat bij bouwen in beton weliswaar de bak van een nog niet noodzakelijk filter vroegtijdig gebouwd moet worden, maar dat inrichting zoals: spoelkoppen bodem filterfront vulling meetapparatuur sproeiers pas in een later stadium behoeft te worden aangeschaft. Afb. 13
- Opstelling dompelpomp.
dan vraagt dit bouwkundige investeringen, omdat de sproeiruirnte relatief hoog moet zijn gelegen. De leidingen moeten zo zwaar zijn, dat de drukverliezen daarin tengevolge van het watertransport laag blijven. Wordt het systeem ,,met tussenpompen" gevolgd, dan zal op bouwkundige kosten kunnen worden bespaard, terwijl voor de installatie van de tussenpompen de werktuigbouwkundige investeringen hoger worden. Uit de schema's blijkt, dat het bouwen van een pompstation op de helling van een heuvel aan dit hoogteschema tegemoetkomt. 3. Slotbeschouwingen 3.1 Indeling in bouwfasen In het algemeen zal de uiteindelijke capaciteit van een ontworpen complex eerst over (groot) aantal jaren nodig zijn. Als dit aantal meer dan 10 21 15 is, moet het ontwerp zodanig worden opgezet dat het in een aantal fasen kan worden uitgevoerd. De besparing aan investeringen is een belangrijk winstpunt, te meer bij een rentevoet van ruim 8 % zoals in 1969170 het geval is. De periode tussen de fasen moet zo worden ontworpen, dat de besparing door uitstel groter is dan de extra aanloopkosten, die de volgende fase vergt. Daarbij moet aanpassing mogelijk zijn, indien de ontwikkeling van het verbruik anders verloopt dan was verwacht. Niet alle onderdelen van het ontwerp kunnen op eenzelfde termijn gebouwd worden, indien de uiteindelijke toestand in een aantal fasen wordt bereikt.
Momenteel worden gesloten filters steeds van staal gemaakt, omdat kunststof nog duurder dan staal is. Er zal echter rekening moeten worden gehouden met bijvoorbeeld polyester. Onderhoudskosten - en bij de bouw schilderkosten - kunnen hierdoor verminderen resp. wegvallen. 3.2 Standaardisatie Belangrijk in deze is de bedrijfsopvatting over standaardisatie. Heeft een bedrijf CCn centraal pompstation, dan is elk ontwerp voor uitbreiding van capaciteit een voortzetting van het reeds aanwezige en draagt het karakter van het CCnmalige. Wordt door een bedrijf op meer plaatsen water gewonnen en gezuiverd, en vertonen de watersoorten voldoende punten van overeenkomst in behandeling, dan leidt dit met voordeel tot standaardisatie van bedrijfsonderdelen en constructies. Om enkele te noemen: - putkopconstructie; - beluchtingstorens; - gesloten filters, zowel als open filters; - reinwaterreservoirs; - reinwaterpompen.
3.3 Tijdschema Bij een goed ontwerp hoort een tijdschema. Voor een groot ontwerp is een net-werkplan te overwegen. Het tijdschema wordt opgezet van af de datum, waarop Afb. 14 - Hoogte schema's voor poi~lpstatiorts ntet drcbbele filtratie en opeit fillers.
Een volgende indeling zou gemaakt kunnen worden: Lange termijn Korte termijn (15 B 25 jaren) (7 B 10 jaren) terrein aankoop putten terrein leidingen gesloten filters filtergebouw inrichting betonnen filters betonnen filterbakken reinwaterpompen waterberging pompgebouw met hulpinstallaties noodstroomaggregaat Indien in fasen wordt gebouwd, derhalve wordt begon-
ONDER EGEN VERVAL
MET TUSSENPOMPEN
IR. Tj. HOFKER
Winning en zuivering van oppervlaktewater Inleiding Zowel het wingedeelte als het zuiveringsgedeelte van een waterleidingbedrijf, aangewezen op de verwerking van oppemlaktewater, omvat een aantal bewerkingen die het ruwe water achtereenvolgens moet ondergaan om als drinkwater te worden afgeleverd. De bewerkingen tezamen vormen het bedrijfsschema. Afhankelijk van de discipline, wordt ook gesproken van processchema of produktieschema. Het bedrijfsschema bestaat uit een aantal bewerkingen of handelingen die enerzijds de kwaliteit van het water bei'nvloeden, zoals filtratie, sedimentatie e.d. en anderzijds slechts voor een doelmatige bedrijfsexploitatie van belang zijn, zoals buffering, pompstations e.d. Bij het bedrijfsschema van een drinkwaterproduktiebedrijf dient dan ook mede te worden begrepen het overgangsgedeelte tussen de zuivering en de distributie, gemakshalve, slechts voorzover gelocaliseerd op het terrein van de zuivering. Het wingedeelte vormt de overgang tussen de bron en het zuiveringsgedeelte en dient zodanig te zijn ingericht, dat variaties in kwaliteit en kwantiteit van de bron zo goed mogelijk worden afgevlakt, opdat een gelijkmatig belaste zuivering wordt verkregen. Het transportgedeelte vormt de overgang tussen het zuiveringsdeel en het voorzieningsgebied en dient eveneens zo te zijn ingericht, dat variaties in de vraag, in dit geval uitsluitend kwanti-
tatief, slechts in beperkte mate in het zuiveringsbedrijf wordt gevoeld. In het wingedeelte heeft men te maken met twee variabelen. In dit deel worden derhalve vaak bewerkingen uitgevoerd die qua karakter onder de zuivering thuis horen. De grootte of het produktievermogen van een bedrijf, hangt geheel af van het voorzieningsgebied. Het bedrijfskarakter, de omvang van het aantal bewerkingen hangt geheel af van de hoedanigheden van de bron en van plaatselijke omstandigheden. In de praktijk blijkt, dat persoonlijke voorkeuren een vaak even belangrijke rol vervullen. In het volgende zal worden volstaan met het plaatsen van enkele kanttekeningen bij en het vergelijken van een aantal bewerkingen en systemen. Van volledigheid zal geen sprake zijn. Immers, de behandeling van een enkele bedrijfsfase kan gemakkelijk een cursusles vullen, zoals in het verleden ook meermalen is voorgekomen, terwijl voorts de omvang van het aantal bewerkingen en alternatieven zioh niet leent voor behandeling in dit bestek. Geldt dit thans, ook in het verre verleden toen het vak zich met zuivering nog amper bezig hield, bestonden reeds meerdere systemen van waterwinning. Zo werden destijds reeds verschillen in de wijze van winning gebruikt om de bekende Gideonsbende, een uit 300 manschappen bestaand keurkorps, te recruteren, aldus Richteren 7: 5 - 8. Oppemlaktewaterbedrijven zijn aan-
het geheel bedrijfsgereed moet zijn. Hierin is derhalve op te nemen een periode voor inwerken van filters, bijstellen en inregelen van allerlei apparatuur. Een half jaar is met deze periode zeker gemoeid. Ontwerp en bouw van een groot pompstation vraagt zeker drie B vier jaren. En daaraan vooraf behoort te gaan de verkenning van waterwinterrein en bouwplaats en de aanvrage en de verkrijging van de vergunning om de gewenste waterhoeveelheid te onttrekken aan de bodem. Momenteel neemt deze procedure 1 i 2 jaren in beslag. Hoe lang deze procedure vergt, als de nieuwe grondwaterwet in werking is getreden, zal moeten worden afgewacht. Maar afgemeten naar het aantal instanties en departementen, dat zich ambtshalve met de gang van zaken gaat bemoeien, zal op bespoediging nauwelijks mogen worden gerekend.
gewezen op de verwerking van een hygienisch onbetrouwbare grondstof. De meeste essentiele bewerking in het zuiveringsproces is derhalve de desinfectie van het water. Op grond van de wijze waarop hygienische betrouwbaarheid wordt verkregen kunnen de bedrijven worden onderscheiden in twee groepen: 1. Bedrijven gebaseerd op desinfectie met behulp van biologische processen (langzame zandfiltratie). 2. Bedrijven gebaseerd op chemische desinfectie (chloor of ozon). In de m e a t oorspronkelijke vorm komen deze bedrijven in Nederland niet meer voor als gevolg van de hoge verontreinigingsgraad van de Nederlandse oppemlaktewateren en mede als gevolg van het karakter van de vervuiling. Het biologisch filter alleen is niet meer in staat een hygienisch betrouwbaar eindprodukt te leveren, terwijl noch met het biologisch bedrijf, noch met het eenvoudige chemische bedrijf een esthetisch aanvaardbaar drinkwater kan worden verkregen. Aan beide bedrijfstypen zijn meer of minder bewerkingen toegevoegd of worden bewerkingen meervoudig toegepast, waardoor vaak een biologisch/ chernisch of chemisch/biologisch bedrijf ontstaat. De winning De winning van oppervlalctewater is in zijn eenvoudigste vorm geconcentreerd in een enkel kunstwerk. Dit kunstwerk kan zijn een inlaat-sluis,
Literatour 1. Vakantiecursussen in drinkwatervoorziening nr. 3 (1951) ; nr. 5 (1963) ; nr. 11 (1959); nr. 14 (1962) ; nr. 19 (1967) ; nr. 20 (1968). 2. Postakademiale vorming gezondheidstechniek, 1968169 C~rsus Winning van Grondwater: Hiinerberg, Horizontalbrunnen; Tjaden, Maken van 11et boorgat; Tjaden, Aanvulling van het boorgat; Horstmeier, Afwerking van ket boorgat. 3. H a (2), 1969, nr. 22; 538. V. de Kroon en Schram, part I: Weir aeration - part II: Step weirs or coscades. 4. AWWA Journal (61), 1969, nr. 10: 504. Mohanka, Multilayer filtration; 539. Nelson, Capping sand filters. 5. Water & Waterengineering (65), 1961 ; 307. Ives, New concepts in filtration.
een (heve1)leiding of een inlaatpompstation. In ons land, waar bijna altijd, voor de verdere bewerking, het water naar een hoger niveau moet worden getild, is het pompstation het meest voor de hand liggende winningsmiddel. De b a t e plaats voor het inlaatpompstation is ogenschijnlijk de naaste omgeving van een buitenbocht in de rivier, omdat de bedding op deze plaats het best gefixeerd kan worden. Een belangrijk bezwaar aan deze plaats verbonden is dat de stroomsnelheid hier het grootst is. De stroombanen hebben derhalve hier het maximale vermogen sedimenteerbaar materiaal te bevatten. Het alternatief, de binnenbocht, heeft het bezwaar dat veel materiaal sedimenteert uit water dat niet door het bedrijf wordt ingenomen. De beste oplossing verkrijgt men door het pompstation niet onmiddellijk aan de rivier te situeren, doch een sedimentatiekom tussen de rivier en het pompstation te schakelen, waarin slechts materiaal neerslaat uit water, dat door het bedrijf wordt ingenomen. Een uitstekend voorbeeld hiervan wordt gevormd door het inlaatwerk van de Haagse duinwaterleiding te Bergambacht. Het naar buiten stromen van in de sedimentatiekom aanwezige water wordt hier voorkomen, doordat het oppervlak van de kom zo is gekozen, dat het inlaatdebiet een niveaudaling in de kom veroorzaakt die gelijke tred houdt met de daling van de waterstand op de rivier ten gevolge van getijwerking. Het noodzakelijke baggerwerk in de sedimentatiekom is allerminst een verliespost. Een nadeel van een sedimentatiekom is dat in een dergelijk bekken gemakkelijk propvorming kan optreden. I n de kom verzameld water van onaanvaardbare kwaliteit - gifstoffen, olie e.d. - is nog aanwezig, wanneer de rivier allang weer aanvaardbaar water voert.
Opslag van ruw-water Hoewel sedimentatie een vaste plaats verdient in het wingedeelte, kan in nog belangrijker mate het kwaliteitsaspect worden begunstigd door opslag van een ruwwatemoorraad achter het pompstation. De voorraad kan bovengronds worden opgeslagen (spaarbekkens) maar ook ondergronds (infiltratiegebied). In Nederland worden beide systemen toegepast. Kwaliteitsverbetering wordt bereikt door selectieve inname, egali-
satie en kwaliteitsbe~nvloedendeprocessen. Om tot een keuze tussen beide oplossingen te geraken is geen eenvoudige opgave. Gelukkigerwijze, of misschien beter ongelukkigerwijze, bepaalt doorgaans de plaatselijke situatie de keuze en voorzover dit niet het geval is, geeft de geaardheid van het bedrijf we1 de doorslag. Zo zal een grondwaterbedrijf geneigd zijn infiltratie toe te passen, terwijl het van oudsher op oppervlaktewater aangewezen bedrijf eerder tot aanleg van spaarbekkens zal besluiten. Niettemin dienen voor een juiste keuze een aantal aspecten te worden beschouwd en tegen elkaar te worden afgewogen. Aan de chemisch-biologische aspecten is in vorige vakantiecursussen [I] en in verschillende artikelen [2] ruimschoots aandacht geschonken. In het volgende zijn deze aspecten in het kort en vergelijkenderwijs gememoreerd. Infiltratielspaarbekkens Beluchting In Nederland liggen de infiltratiemiddelen doorgaans slechts weinig boven het grondwaterniveau. Ondergrondse beluchting is dan van weinig betekenis. Een redelijke beluchting wordt verkregen bij intermitterende infiltratie. De beluchting in spaarbekkens is veel beter, zeker in ons nogal winderig klimaat. De vrije toetreding van zuurstof wordt alleen belemmerd bij dichtvriezen van het bekken.
Beluchting komt het best tot zijn recht bij ondiepe bekkens als gevolg van het relatief grote aan de lucht blootgestelde oppervlak. Bij diepe of zeer diepe bekkens wordt in het hypolimnion de zuurstoftoevoer ernstig belemmerd door de eventuele aanwezigheid van een spronglaag. Proeven hebben aangetoond, dat het verschijnsel van stratificatie op gemakkelijke wijze kan worden opgeheven
PI. Reuklsmaak De verwijdering van reuk- en smaakstoffen is voor infiltratiesystemen in het algemeen goed te noemen, hoewel een belasting met moeilijk afbreekbare stoffen ook hier doorslag van smaak kan veroorzaken. De vermindering van reuk en smaak in spaarbekkens hangt af van de temperatuur. In de zomer is de verlaging van het smaakgetal goed; in de winter matig. Smaak-
verslechtering kan in spaarbekkens optreden als gevolg van massale algengroei.
Kleur Verwijdering van kleur bij infiltratie is doorgaans goed. Indien de bodem humusstoffen bevat, kunnen daarentegen weer kleurveroorzakende stoffen in het water worden opgelost. Kleurverwijdering in open buffers heeft weinig te betekenen. Alleen indien veel sedimenteerbaar materiaal aanwezig is en neerslaat wordt een deel van de kleur verwijderd. KMn04-verbruik Het permanganaatverbruik wordt door infiltratie verlaagd. I n spaarbekkens daalt het permanganaatverbruik eveneens. I n het bekken wordt evenwel opnieuw organische stof gevormd, zodat de totale verlaging van geringe betekenis is en mogelijk zelfs in het tegendeel kan verkeren. Ammoniakoxydatie Het opruimen van ammoniak in spaarbekkens hangt weer sterk samen met de watertemperatuur. In de zomer verloopt het proces bevredigend tot goed. In de winter zeer langzaam. Bij infiltratie verloopt de ammoniakoxydatie eveneens goed, doch is sterk gebonden aan de beschikbare hoeveelheid zuurstof. Bij lage zuurstofconcentraties, dus op enige afstand onder de bodem verloopt het proces langzaam en staat bij het ontbreken van zuurstof stil. Nitraat Het nitraatgehalte in spaarbekkens vertoont een duidelijke seizoeninvloed. In de zomermaanden is er een afname die kan worden toegeschreven aan het verbruik van nitraat door plankton, die de vorming van nitraat door ammoniakoxydatie overtreft. De mogelijkheid van denitrificatie (vorming Nz) aan de bodem kan eveneens een rol spelen. In de winter verlopen de biologische processen uiterst langzaam. Men constateert soms hogere nitraatgehalten dan in het aangevoerde ruwe water. Blijkbaar zet ammoniakoxydatie langer door dan de nitraatconsumptie. Nitraatreductie en vorming van vrije stikstof treedt in infiltratiegebieden in hoge mate op, zeker waar geen zuurstof meer aanwezig is.
IJzer en mangaan Het verblijf in spaarbekkens verlaagt zowel het ijzer als het mangaangehalte door sedimentatie. I n het anaerobe deel van het infiltratievolume daarentegen kan ijzer en mangaan in oplossing gaan en derhalve in het filtraat in hogere concentraties worden aangetroffen dan in het ge'infiltreerde water. Hygienische betrouwbaarheid Infiltratie levert ten aanzien van het hygienisch betrouwbaar maken van het water gunstige resultaten. Mits de verblijftijd in de bodem voldoende groot is wordt een betrouwbaar produkt gewonnen. Ook het verblijf in het spaarbekken heeft een louterend effect. Door de mogelijkheid van herinfectie dient desinfectie in het zuiveringsbedrijf evenwel altijd te worden toegepast. Selectie Selectieve inname is met beide systemen mogelijk indien niveauvariatie kan worden toegepast. Ter vergelijking moet worden bedacht, dat voor eenzelfde selectie, in het infiltratiegebied globaal een 3 x zo groot bergend volume nodig is dan in een spaarbekken. Dat wil zeggen, dat bij eenzelfde toelaatbare peilvariatie, voor infiltratie een ca. 3 x zo groot terreinoppervlak benodigd is. Een infiltratiegebied leent zich echter beter voor andere doeleinden bv. recreatie, dan een spaarbekken. Egalisatie Egalisatie kan eveneens met beide systemen worden bereikt. I n spaarbekkens vindt egalisatie op natuurlijke wijze plaats. Een compact d.w.z. een diep, cirkelvormig spaarbekken is het meest doelmatig. Het optreden van thermische stratificatie beperkt het egalisatievermogen, doch kan op eenvoudige wijze worden opgeheven. I n infiltratieterreinen wordt egalisatie op kunstmatige wijze bereikt door het winnen en daarna mengen van meerdere - oude en jonge - waterkwaliteiten. Het systeem vraagt een nauwgezet en zorgvuldig exploitatiesysteem doch kan beter in de hand gehouden worden dan bij open buffering, doordat hier kortsluitstromen een goede egalisatie nadelig kunnen be'invloeden. Ten aanzien van het afvlakken van temperatuursschommelingen is een infiltratiesysteem sterk in het voordeel. Afhankelijk van de omvang van het
infiltratiesysteem kan de jaarlijkse variatie tot minder dan de helft worden teruggebracht. In spaarbekkens is van enige afvlakking (nog) geen sprake. Flexibiliteit Hoewel het gedrag van een spaarbekken op d e lange duur bij voeding met onbehandeld rivierwater niet met zekerheid kan worden voorspeld, lijkt het waarschijnlijk, dat nimmer de eisen die voor te infiltreren water in acht moeten worden genomen, ook voor spaarbekkens zullen gelden. Zo zal het slibgehalte in het ruwe water bij spaarbekkens nooit tot grote problemen leiden. Ook luistert d e hoeveelheid organische stof alsmede ammoniak en ammoniumverbindingen in relatie tot de opgeloste hoeveelheid zuurstof aanmerkelijk minder nauw dan bij te infiltreren water, omdat aanvoer van zuurstof tijdens het verblijf in spaarbekkens op natuurlijke wijze wordt verkregen. In hoeverre een meer of minder intensieve voorbehandeling voor de voeding van spaarbekkens wordt vereist met betrekking tot het voorkomen van massale planktongroei valt thans niet met zekerheid te voorspellen. Verschillende onderzoekers wijzen op bestrijdingsmethoden die een intensieve voorbehandeling niet nodig maken [4]. T e infiltreren water moet van slib zijn ontdaan. Voorts dient het water niet meer organische stof, ammoniak en ammoniumverbindingen te bevatten dan door middel van de beschikbare hoeveelheid vrije en gebonden zuurstof kan worden afgebroken. Voorbehandeling voor het Nederlandse oppervlaktewater is een vereiste. Kwetsbaarheid Beide systemen ontlenen kwaliteitsverbetering grotendeels aan biologische processen. Dit houdt in dat beide systemen gevoelig zijn voor gifstoff en, hetzij binnengekomen met het ingenomen water, hetzij rechtstreeks in het systeem gebracht. Indien de vergiftiging van zodanige aard is, dat de stof niet of slechts op de lange duur verdwijnt, kan een spaarbekken na verversing of zonodig na vervanging van de gehele inhoud toch reeds na betrekkelijk korte tijd weer in dienst worden genomen. Verversing van een infiltratiegebied, indien mogelijk, is zeer tijdrovend. Een ernstige verontreiniging kan in het uiterste geval leiden tot verlaten van het terrein.
I n Nederland kan winning van oppervlaktewater in zijn meest eenvoudige vorm, d.w.z. slechts met een enkel kunstwerk, niet meer worden toegepast. Om veiligheidsredenen dient achter het kunstwerk tenminste een kleine voorraad te worden aangelegd. Vergroting van deze voorraad geeft de mogelijkheid een beter en gelijkmatiger grondstof te verkrijgen. Spaarbekkens blijken in staat een breder kwaliteits-spectrum te kunnen verwerken dan infiltratiesystemen en passen derhalve beter bij het oppervlaktewaterbedrijf. Een belangrijk voordeel van infiltratie boven open buffering is, dat afhankelijk van de verblijftijd in het infiltratiegebied, temperatuursegalisatie kan worden verkregen. Een uitstekende, doch helaas kostbare, oplossing zou worden verkregen indien beide systemen in een bedrijf werden gecombineerd. Transport I n ons land moet oppervlaktewater meestal gewonnen worden op grote afstand van de verbruikscentra. Watertransport over grote afstand is derhalve geboden. Afgezien van bijzondere omstandigheden kan worden gekozen tussen het transporteren van ruw water en derhalve het bereiden van drinkwater ter plaatse van het voorzieningsgebied en het transporteren van drinkwater, d.w.z. het concentreren van win- en zuiveringsgedeelte in de onrniddellijke omgeving van de prise d'eau. Voor beide systemen is reserve in het transportsysteem geboden, teneinde storingen in het transportbedrijf of leidingbreuk te kunnen opvangen. De reserve kan worden gevonden in: a. Het aanleggen van een buffervoorraad in het voorzieningsgebied. b. Vermeerdering van het aantal transportleidingen. Het aanleggen van een buffervoorraad is alleen mogelijk voor ruw water. Buffering van drinkwater is onaanvaardbaar omdat een langdurige opslag van drinkwater de kwaliteit terug doet lopen. Het vraagstuk is in hoofdzaak van economische aard en wordt op de volgende wijze benaderd: De grootte van de aan te leggen reservevoorraad met toebehoren volgt, bij een bepaalde bedrijfsgrootte, uit de lengte van de periode, benodigd voor het opheffen van de storing en vraagt,
L.1 BEZINKBEKKEN
&& BEZINKBEKKEN
BEZINKBEKKEN
1 LAQE MLIPOMPEN 1
NA-CHLORING
REINW. BERGINQ
Afb. I
- Bedrijfsschema DWL Rotterdam in de periode
afgestemd op een bepaalde bedrijfsgrootte, een vast bedrag. De kosten, verbonden aan het scheppen van reserve in het transportleidingensysteem, kan eveneens worden berekend. Naarmate het aantal leidingen toeneemt, kan de reserve capaciteit procentueel worden verlaagd. Rekening - houdend met het voor verschillende oplossingen benodigde energieverbruik kan het economisch optimum worden bepaald. De kosten, verbonden aan het scheppen van reserve in het leidingnet, blijken tenslotte uitsluitend af te hangen van de transportafstand. Dit houdt in, dat bij een bepaalde afstand, de kosten verbonden aan de aanleg van een reservevoorraad gelijk zijn aan de kosten verbonden aan het leggen van een reserveleiding. Bij transport over een grotere afstand is aanleg van een reservevoorraad in het voorzieningsgebied minder kostbaar en dient derhalve de drinkwaterbereiding in het voorzieningsgebied plaats te vinden. Bij transport over een kleinere afstand biedt combinatie van winning en zuivering nabij het onttrekkingspunt de meest economische oplossing.
1874-1953.
behandeling bestaat uit transportchloring en snelfiltratie. Bij voorschakeling van een spaarbekken kan worden overwogen in plaats van snelfilters te volstaan met microzeven. Het verdient geen aanbeveling te volstaan met uitsluitend een transportchloring. Ervaringen met de ruwwater-transportleiding tussen de Berenplaat en het produktiebedrijf Honingerdijk leidinglengte ruim I5 krn - hebben uitgewezen dat in een periode van ca. 2% jaar het pompdebiet ca. 10 % terugliep.
Ten aanzien van de zuivering zal ik mij beperken tot het typische oppervlaktewaterbedrijf. Het infiltratiebedrijf, dat wat de zuivering betreft alle kenmerken van een grondwaterbedrijf bevat, blijft verder nagenoeg buiten beschouwing . Uit de veelheid van bewerkingscombinaties - de zuiveringssystemen heb ik opnieuw een keuze moeten doen en mij beperkt tot de systemen die door de Drinkwaterleiding van Rotterdam in de afgelopen eeuw zijn toegepast en in de toekomst zullen Ten behoeve van het transport moet worden gebruikt. ruwwater worden geconditionneerd. De systemen geven een opbouw die Slib, organische stoffen, ammoniak de toenemende verontreiniging van en ammoniumverbindingen moeten het oppervlaktewater volgt. Het vergrotendeels worden verwijderd met bazingwekkende is dat vrijwel elk in het oog op een onaanvaardbare zuur- het verleden toegepast systeem ook stofconsumptie in het leidingensy- vandaag nog bruikbaar is in uiteraard steem. Voorts moet het water worden passende omstandigheden. gedesinfecteerd ter voorkoming van De stichting van de centrale drinkgroei in de leidingen. watervoorziening van Rotterdam daEen gebruikelijke en doelmatige voor- teert van 1874. Tot die tijd werd water
geput uit stadsgrachten en singels. De vervuiling van dit water, vooral met faecale verontreiniging - - was oorzaak van vele ziekten. Vooral choleraepidemieen hebben de stad destijds zwaar geteisterd. Het hygienisch aspect heeft, zoals in vele andere steden, de grondslag gevormd voor het ontstaan van het waterleidingbedrijf. Het bedrijf geniet tot op de huidige dag - meer dan welk ander waterleidingbedrijf - de eer sterk in de publieke belangstelling te staan. De belangstelling gold niet zo zeer de keuze van de zuiveringssystemen, dan we1 het tijdstip waarop zij werden ingevoerd. Het water werd in 1874 onttrokken aan de Nieuwe Maas bovenstrooms van de stad. Het water w e d omstreeks hoog-water ingenomen, zodat met een eenvoudige inlaatsluis kon worden volstaan. Het ingenomen water verbleef enige tijd in een bezinkbekken en werd vervolgens over enkele, later vele, biologische filters geleid. Het oppervlaktewater was van een zodanig goede kwaliteit, dat tot in de twintiger jaren met dit eenvoudige systeem kon worden volstaan. Het eindprodukt bleek hygienisch betrouwbaar en het zuurstofverbruik in het Uter zo laag dat geen onaanvaardbaar lage waarde ontstond. Het gegeven systeem (afb. 1) geeft de meest oorspronkelijke v o m van biologische zuivering. Het systeem dat uitmunt door eenvoud kan ook thans nog met succes worden toegepast mits: a. de ruwwaterkwaliteit weinig verontreinigd is en geen grote kwaliteitsvariaties vertoont en b. het klirnaat zich leent; een en ander houdt verband met het snel teruglopen van biologische processen bij temperatuursdaling. Een nadeel van het systeem, naast de grote gevoeligheid voor ruwwaterkwaliteit en klimaat, is, dat grote terreinoppe~lakken benodigd zijn. De filtratiesnelheid behoort in de orde van 10 tot maximaall5 cmluur te bedragen. In de twintiger jaren ontstonden in het bedrijf verschillende moeilijkheden. In de eerste plaats moeilijkheden in de bedrijfsvoering door het optreden van massale groei van diatomedn, die de looptijd van de filters sterk bekortten. Problemen voorts met betrekking tot de kwaliteit van het drinkwater, zowel wat smaak als de hygienische betrouwbaarheid betrof. In feite dus proble-
Van grote betekenis in dit jaar is het in dienst nemen van het chemisch bedrijfsgedeelte, gebaseerd op desinfectie en oxydatie door middel van chloor.
1953-1960 N l E U W E MAAS
I
INLAATPOMPSTAT.
De keuze van chloor boven ozon ligt voor de hand. Toepassing van ozon zou in verband met de sterk wisselende ruwwaterkwaliteit een gemiddeld sterk onderbelaste en derhalve d u e installatie geven, terwijl voorts ammoniak niet zou worden verwijderd, zodat hierin op andere wijze zou moeten worden voorzien of een intense nagroei in het transport- en distributiesysteem zou moeten worden gevreesd. Coagulatie wordt verkregen door toevoeging van ijzerzouten (gechloord ijzersulfaat).
AKTIEVE KO01
I - 1
BEZINKBEKKEN
I
4
1
I
C BEZINKBEKKEN
1
I
+
IBREEKPUNTCHLORING]
4
KALK
i LCOAGULANS Few+ 1
I+
SNELFILTERS
[
LANGZ. FILTERS
I I
I
SNELFILTERS
t
I 4 I 1 /I 4 I LANGZ.FILTERS 1 1
I
LAGE ORPOMPEN
1 -
+ I
1
4
11
SNELFILTERS
1
1 BELUCHTING
I
NaOH (van 10~5.t)
]
4 Na -CHLORING I 4
I SO, 1 J I REINWATERBERGING [ 4 I HD. POMPEN 1
+
Afb. 2
- Bedrijfsscl~entaDWL Rotterdam in de periode
men, terug te voeren tot de verslechtering van de grondstof. De sterke diatomeeengroei werd bestreden met kopersulfaat. De tweede methode ter vermindering of voorkoming van diatomeengroei is gebaseerd op het verrninderen of wegnemen van voor de groei benodigd licht en bestaat uit het overkappen van de filters. Uiteraard een kostbare methode. De hygienische betrouwbaarheid van het eindprodukt werd vanaf 1929 gewaarborgd door middel van nachloring. Vanaf 1924 werden proefnemingen lritgevoerd met snelfilters ter ontlasting van de langzame zandfilters. Deze voorfiltratie werd in het laatst van 1931 in gebruik gesteld en boekte het gewenste resultaat. Het aantal schuimingen liep terug van 424 in 1931 tot 186 in 1932. Intussen bleef de smaak van het water verslechteren, zodat in 1933 begonnen werd met een incidentele doseting van aotieve kool. De poederkool werd aanvankelijk voor de langzame filters gedoseerd.
1953-1967.
Het gevolg hiervan was dat de langzame filters snel verstopt raakten en het aantal schuimingen drastisch toenam. Reeds in het volgend jaar werd de poederkooldosering naar voren gehaald en gedoseerd voor de snelfilters. In 1939 werd de inlaatsluis vervangen door een inlaatpompstation. Het vergroten en verdiepen van de havens veroorzaakte een verdere opdringing van met stadsvuil belast water in stroomopwaartse richting, in de vloedperiode, zodat omstreeks hoog water geen wateronttrekking meer kon plaatsvinden. Ook zeeinvloed begon tijdens hoge waterstanden merkbaar te worden. Het effect van actieve kool op de smaak werd verbeterd door odk voor het bezinkbekken actieve kool te doseren, zodat een langere contacttijd werd verkregen. Vanaf 1935 (afb. 2) wordt permanent poederkool toegevoegd, terwijl voorts ter correctie van de pH kalk, aanvankelijk in de vorm van poederkalk wordt gedoseerd.
De keuze van ijzer boven aluminium ligt voor de hand, omdat optimale coagulatie met ijzer in een gunstiger pH-gebied ligt (Coagulatie met ijzer is optimaal voor pH = ca. 8 en voor aluminium voor pH = 6,s - 7) terwijl voorts het pH-gebied, waarin coagulatie met ijzer bevredigend verloopt, veel breder is. Flocculatie en sedimentatie worden gecombineerd in vlokkenfilters (precipitators). Het effluent wordt vervolgens geleid over snelfilters. Het biologisch bedrijf ondergaat geen verandering, profiteert alleen door een geringer belasting. Het biologisch en chemisch filtraat worden tenslotte weer samengevoegd en nabehandeld met chloor. De tenslotte nog aanwezige hoeveelhei'd restchloor wordt met SO2 tot ca. 0,3 mg/l teruggebracht. A1 onmiddellijk bij de eerste periode met een slechte ruwwaterkwaliteit blijkt, dat het chemisch bedrijf veel beter voldoet dan het biologisch. Met name ten aanzien van smaakverwijdering is dit systeem duidelijk in het voordeel. In dit opzicht speelt ongetwijfeld de passage van het water door de vlokkendeken, waarin zich veel poederkool verzamelt, een rol van betekenis. Contact met poederkool in dit ,,filter3' komt veel beter tot zijn recht dan in de doorgaans gebrekkige menginstallaties. Een nadeel van de chemische zuivering is het verhogen van de hardheid door toevoeging van kalk, nodig ter correctie van de pH, die, afhankelijk van de toegevoegde dosis chloor en gechloord ijzersulfaat, meer of minder wordt verlaagd. In 1960 wordt het biologisch te filtreren water verder verbeterd, door ook voor dit water coagulatie toe te
passen. De gevormde vlok wordt in dit geval verwijderd met behulp van traditionele bezinkbekkens. Het coagulatieproces, dat in de winter minder g o d verloopt, wordt verbeterd door toevoeging van een coagulatiehulpmiddel in deze periode. Ook wordt, zij het incidenteel, opnieuw kopersulfaat gedoseerd. Vermelding verdaient voorts de dosering van natronloog teneinde een zodanige pH te garanderen, dat geen leidingcorrosie optreedt. In 1966 wordt het tweede Rotterdarnse produktiebedrijf op de Berenplaat in gebruik genomen. Het zuiveringsgedeelte is overeenkomstig het bedrijf aan de Honingerdijk opgezet. Kenrnerkend voor dit zuiveringsbedrijf is de doelmatiger indeling en inrichting en de grote mate van automatisering. Met name de menginrichtingen betekenen een duidelijke verbetering. Het spaarbekken ter plaatse is bedoeld voor het overbruggen van slechts korte perioden, waarin de rivier een onaanvaardbare waterkwaliteit voert (Kalamiteitsbekken). Selectie en egalisatie kunnen ternauwernood worden gerealiseerd. Het zelfreinigend effect is g o d . Sinds 1967 wordt ook het bedrijf aan de Honingerdijk gevoed met water uit het spaarbekken op de Berenplaat (afb. 3). Ter vergelijking met de klassieke oppervlaktewaterbedrijven te Rotterdam zijn de bedrijfsschema's van twee infiltratiebedrijven gegeven (afb. 4). De bedrijfsresultaten, uitgedrukt in enkele karakteristieke grootheden, zijn in de volgende tabel verzameld. Uit de tabel blijkt, dat de grootste spreiding in de kwaliteit optreedt bij de oppervlaktewaterbedrijven. Het .huidige klassieke systeem blijf t, zeker wat dit aspect betreft, achter bij de grondwater- en semigrondwaterbedrijven. Het ontbreken van een gedetailleerder analyse van de watersoorten, met ge-
BERENPLAAT NA 1966
HONINGERDIJK NA 1967
I 1 I I I
I
SPAARBEKKEN
1
TRANSPPOMPSTAT
1
t
TRANSPORT(16krn)
I
BEZINKBEKKEN
4
+
LAGE DRPOMPEN SNELFILTERS
LANGZ.FILTERS BELUCHING
I 1
Afb. 3
i
L
/
VLOKKENFILTERS
I
1 I I 1
1
r
SNELFILTERS
I
1
BELUCHTING
I
i NaOH
1
NA-CHLORING
I
i
[
AKIEVE KOOL
[
KALK
I 1 I 1 1 1
VLOKKENFILTERS
I 1 I
SNELFILTERS
1
BELUCHTING
I
1
4 i
NA-CHLORING
1
CHL.KONT.KELDER M.D.POMFSTATION
1 1
REINW.BERGING
I
H.D.POMPSTATION
I
t
- Bedrijfsscltema's DWL Rotterdanl 11a 1966 resp. 1967.
gevens inzake troebelheid, smaak, reuk, albumindid stikstof e.d. maakt een verdergaande vergelijking speculatief . Bepalen wij ons tot de beschouwde zuiveringssystemen voor oppervlaktewater, dan moet worden geconcludeerd dat, bij het huidige verontreinigingsniveau van de Rijn, de klassieke methoden voor de bereiding van drinkwater te kort schieten.
Smaak Zo is de smaakverwijdering met actie-
ve kool, gedoseerd in de vorm van poederkool, onvoldoende. Smaakverwijdering met behulp van actieve kool is gebaseerd op het grote adsorberend vermogen van actieve kool. Uit gegevens van de Rotterdamse bedrijven blijkt, dat de smaakverwijdering in het biologisch bedrijf (verre) ten achter blijft bij die van het chemisch bedrijf. Afgezien nu van het verschil in de processen is een belangrijk verschil in de bedrijfsvoering de toepassing van twee sedimentatiesystemen. Sedimentatie in de chemische bedrij-
Overzidt drinkwaterkwaliteit oppervlaktewafersuiveringsbedrijven in 1968.
Gemiddeld
Maximum
1 NH4+ mg/l 0 2 vrij mg/l KMnOd mg/l Kleur pt-schaal Fe mg/l Mn mg/l Temp. OC
Den Haag
0,15 9,O 14 11 0,14 0,03 18,O
<
A'dam
0 10,7 9 13 0,05 0,05 19
<
Hon.dijk biol. B'plaal
0,15 14,4 14 10 0,39 0,03 22,5
Den Haag
A'dam
0 7,6 8 9 0,05 0,05 13
< <
Minimum
Hon.dijk B'plaat biol.
403 11,6 9 5 0,03 0,Ol 12,5
0,03 7 10 0,03 0,Ol 12
Den Haag
A'dam
< 0.03
0
B'plaat
0,Ol
Hon.dijk biol .
ven vindt plaats in de vlokkenfilters. Op een bepaalde hoogte in de filters vormt zich een vlokkendeken, die periodiek zijdelings wordt afgetapt. M e water wordt gedwongen deze vlokkendeken, waarin zich een grote hoeveelheid poederkool heeft verzameld, te passeren. Het contact van het water met de actieve kool, anders gezegd de botsingsfrequentie van smaakstoffen bevattende waterdeeltjes en poederkool is in de deken redelijk groot. De verwijdering van deze stoffen nu is recht evenredig met de botsingsfrequentie. Het laat zich aanzien, dat smaakverwijdering zich in de vlokkendeken concentreert. Sedimentatie in het biologisch bedrijfsdeel, zoals dit het geval is in t op vele andere bedrijven, ~ i n d plaats de traditionele wijze door middel van bezinkbekkens. De poederkool wordt voor de bekkens gedoseerd, min of meer intensief gemengd met het water om vervolgens in het bezinkbekken neer te slaan. Het behoeft nauwelijks betoog, dat van innig contact of een hoge botsingsfrequentie bij de toch altijd geringe poederkoolconcentratie, zelfs bij een hoge snelheidsgradient, in relatie tot het contact in een vlokkendeken, maar zeker in relatie tot een actieve koolfilter, slechts weinig terecht komt. Van de verblijftijd in het bezinkbekken valt door het ontbreken van een hoog turbulentieniveau evenrnin veel te verwachten. De vraag is gerechtvaardigd of bij de verwijdering van smaakstoffen met behulp van een poederkooldosering de keuze van het sedimentatiesysteem niet vast ligt. Het behoeft geen betoog dat het innigste contact wordt verkregen in een actief koolfilter. Het belangrijkste bezwaar verbonden aan het actief koolfilter is het verschijnsel van nagroei en derhalve een sterke verhoging van het kiemgetal. In hoeverre dit bezwaar kan worden ondervangen bv. door middel van periodiek spoelen van een onderbed bestaande uit zand met gechloord water, zal proefondervindelijk moeten worden vastgesteld.
In oppervlaktewaterbedrijven, waar van oudsher desinfectie werd bereikt met chloor is ozon steeds een enigszins geladen woord geweest. Zo wordt bv. in Amerika vrijwel nergens ozon toegepast. Door het onvermogen van ozon om ammoniak te oxyderen zal het breekpuntchloring ook niet kunnen vervangen.
Dit neemt niet weg dat ozon, door zijn vermogen tot verdere afbraak dan waartoe chloor in staat is en het vermogen andere stoffen te oxyderen, als supplementaire behandeling zeker in aanmerking komt. Met name het heilzame effect van ozon op het verlagen van kleur (en smaak) is bekend. Door de beperkte mogelijkheid ozon in voorraad te hebben is de meest aangewezen plaats voor dosering het punt waar het water het meest gelijkmatig van kwaliteit is. Men verkrijgt dan irnmers de hoogste belastinggraad van de installatie. Het ligt derhalve voor de hand de nachloring te vervangen door ozonisatie. Het resultaat hiervan is dat allerlei afbraakprodukten worden gevormd die als voedingsbodem in het leidingnet nagroei kunnen veroorzaken. Het naar voren halen van de ozonbehandeling voor de actief koolfilters bevordert nagroei in het filter. De beste plaats voor ozondosering lijkt derhalve het punt tusen de sedimentatie en de snelfiltratie. Uit de laatste resultaten van een proeffabriek in Rotterdam blijkt, dat op deze wijze goede resultaten worden verkregen. Ozonisatie wordt in het proefsysteem gevolgd door een tweede ijzerdosering. Op grond van troebelheidsmetingen van het filtraat blijkt, dat t.g.v. ozonisatie deze secundaire coagulatie belangrijk meer effect sorteert. Optimalisering Naast een juiste keuze van het bedrijfsschema is van groot belang dat het bedrijf harmonisch wordt ingericht. Slechts een harmonische opzet maakt een optimale bedrijfsvoering mogelijk. Hoewel voor een optimale bedrijfsvoering niet noodzakelijk, zal doorgaans een optimale exploitatie van de bedrijfsdelen hiervan we1 de basis vormen. Opbimalisering van het bedrijf houdt in dat bij vastgestelde kwaliteitsnormen de financieel/economisch gunstigste bedrijfsexploitatie kan worden gevoerd. De persoonlijke vrijheid bij het vaststellen van de kwaliteitsnormen, uiteraard we1 binnen door de wet gestelde grenzen, vormt hierbij een moeilijkheid en een gevaar. Een gevaar in die zin dat maar a1 te gemakkelijk kan worden besloten tot aanvaarding van een ,,financieel-economisch haalbare" kwaliteit. Optimalisering kan slechts worden verkregen door een zorgvuldige ana-
lyse van de bewerkingen en een grondige kennis van alle het proces behvloedende factoren. Theoretisch inzicht en proefondervindelijk onderzoek zijn hiervoor onontbeerlijk. Het tenslotte ontwikkelde bedrijf vraagt een investering, die vertaald kan worden in een jaarlijkse last, bestaande uit afschrijving en rente. Vermeerderd met de exploitatiekosten, voornamelijk bestaande uit energie, grondstofverbruik, onderhoud en loon, levert dit het jaarlijkse kostenpatroon van het bedrijf. Vaak zal een der samenstellende grootheden dominant zijn. Zo zal zowel voor het filtratieproces als voor het sedimentatieproces de invloed van de investeringen overheersen. Optimalisering houdt hier derhalve voornamelijk in: vergroting van de opbrengst per oppervlakte-eenheid. Voor de chemicaliendosering en bijbehorende installaties ligt dit minder duidelijk zoals in het volgende zal worden aangetoond.
Verwijdering van stoffen met behulp van in het water gedoseerde chemicalien wordt grotendeels beheerst door de botsingsintensiteit. Voorbeelden: Het verwijderen van verontreinigingen m.b.v. ijzer-(aluminium) zouten, maar ook het verlagen van de smaak met behulp van poederkool aan het water toegevoegd. De botsingsintensiteit, d.w.z. het aantal botsingen per tijdseenheid wordt gegeven door de formule van Smoluchowski, in de vorm zoals die door Camp en Stein [5] in de waterleidingwereld is ge'introduceerd: dv N = 116 nlnz (dl d2)3 (1) dz waarin: N = aantal botsingen nl, dl = aantal en deeltjes te verwijderen verontreiniging nn, da = aantal en deeltjes gedoseerde deeltjes dv - = snelheidsgradient (G) dz De botsingsintensiteit en derhalve de afname van het aantal deeltjes (verontreiniging) kan worden herleid [6] tot: dnl - x.N. (2) dt waarin x een rendementsfactor is, aangevend het aantal botsingen die tot verkleving leiden. Bij een constant blijvend of constant verondersteld aantal gedoseerde deel-
+
,,DEN HAAG"
tjes zouden dus in feite op hun plaats in de rij moeten blijven. Menging, uitgedrukt in de waarde van G, verstoort juist deze stromingswijze.
,,AMSTERDAM"
Het spreekt vanzelf dat menging moet prevaleren. D e grootte hiervan dient in relatie tot de eerder genoemde factoren te worden bepaald. Door nu het mengvolume over meerdere in serie geschakelde eenheden te verdelen en per compartiment te voorzien van een menginstallatie kan ook bij een grote mate van turbulentie worden tegemoet gekomen aan de wens de verblijftijden van de deeltjes zo goed mogelijk met elkaar in overeenstemrning te brengen. In de praktijk blijkt een verdeling in 4-6 compartimenten voldoende.
JUTFAAS BERGAMBACHT
I
TRANSPORT
I I
[ INFILTRATIE(duinen)
I\
I
[~l~~l~~(putten,drains)
i
I RUWW. TR F! POMPSTAT ] I I BELUCHTING J I
I DOSERING aktieve kool 4 I
SNELFILTRATIE
j
I
Sedimentatie Het sedimentatieproces wordt beheerst door de getallen van Froude en Reynolds.
>LEIDUIN
SCHEVENINGEh'
*J
vo2 voR Fr = Re = g.R U waarin: v0 = gemiddelde horizontale snelheid R = hydraulische straal v = kinematische viscositeit.
WATERTOREN
I
1
Afb. 4
- Bedrijfssclema's.
tjes (n2) kan de differentiaalvergelijking worden gei'ntegreerd. De oplossing is van de vorm: nit =
ni o
.A.n2.G.t waarin: nit = het aantal deeltjes verontreiniging op het tijdstip t nio = het aantal deeltjes verontreiniging op het tijdstip o Het effect van chernicaliendosering wordt dus beheerst door: de hoeveelheid gedoseerde stof (n2), de mate van turbulentie (G) en de tijd (t). Naarmate deze drie factoren worden vergroot wordt het effect verbeterd. Optimalisering kan nu worden bereikt door deze grootheden te varieren. Vergroting van de verblijftijd (t) betekent vergroting van het mengvolume en leidt a1 gauw tot hoge bouwkosten. Vergroting van de hoeveelheid ge) tot vergroting doseerde stof ( n ~ leidt van de doseerinstallatie. De hieraan
verbonden hogere investering speelt t.0.v. de lcosten verbonden aan het chemicalienverbruik zelden een rol van betekenis. De kosten verbonden aan het chemicalienverbruik hangen uiteraard af van de prijs van de gedoseerde stof. Deze is in feite alleen voor poederkool van groot belang. Vergroting van de snelheidsgradient dv (G = -) leidt tot vergroting van het dz
mengwerktuig. Vergroting derhalve van het energieverbruik en het geinstalleerd vermogen, waarbij geldt dat een lineaire vergroting van G een kwadratische vergroting van het geinstalleerd vermogen en het energieverbruik vraagt. Interessant en ook van groot belang voor optimalisering is tenslotte het karakter van de vergelijking (3). Het exponentiele verband vraagt immers een gelijke verblijftijd van de deeltjes in de mengruimte 171. De waterdeel-
Het sedimentatieproces verloopt gunstiger naarmate het getal van Froude groter en het getal van Reynolds kleiner is. Een en ander wordt bereikt door verkleining van de hydraulische straal, gedefinieerd als de verhouding tussen het oppervlak van de natte doorsnede en de natte omtrek. In Amerika (Microfloc, Corvallis) is een systeem ontwikkeld dat hieraan in hoge mate voldoet. Men plaatst in de n&e doorsnede een honingraat, bestaande uit tegen elkaar geplaatste buizen of vierkante kokers en dwingt het water hierdoorheen te stromen. De vergroting van de natte omtrek anders gezegd de verkleining van de hydraulische straal maakt in dit geval, waarin kokers 8 5 cm onder een hoek van 60" met het horizontale vlak, in het sedimentatiebekken zijn gehangen, een overflowrate of opbrengst per m2 mogelijk van ruim 10 m/uur. Thans wordt een installatie gebouwd met een overflowrate van bijna 9 m/uur. Dit houdt in dat wordt volstaan met een kwart van het oppervlak dat benodigd zou zijn indien de traditionele inrichting zou zijn gekoZen.
Filtratie Een eveneens spectaculaire vergroting van de opbrengst per oppervlakteeenheid kan worden bereikt bij het filtratieproces door toepassing van dubbellaags filter. In een proefinstallatie van de Rotterdamse waterleidingen is gebleken dat een filtratiesnelheid van 15 m / h kan worden gehaald met behoud van een zeer goede kwaliteit van het filtraat (troebelheid < 0,l JTU) en een redeLijke looptijd van het filter. De toegepaste materialen bestonden uit anthraciet en zand. Voor het ontwerp van het filter, voorzover dit betreft: a. de keuze van de korrelsamenstelling van zand en anthraciet; b. de laagdikten van beide media; c. de wijze van voorbehandeling van het te filtreren water is het verrichten van proefondervindelijk onderzoek onontbeerlijk. In het voorgaande is tot uiting gekomen dat in het actuele waterleidingbedrijf, geboren uit de noodzaak tot het vervaardigen en leveren van een hygienisch betrouwbaar produkt, een
compromis wordt nagestreefd tussen enerzijds de kostprijs en anderzijds de esthetische kwaliteit, met als vanzelfsprekendheid de hygienische betrouwbaarheid op de achtergrond. Op meerdere plaatsen in de wereld zijn thans onderzoekingen gaande teneinde een korrelatie vast te stellen tussen de aanwezigheid van diverse soorten verontreiniging in lucht, voeding en water en het optreden van ziekten, hetzij acuut, hetzij zich pas in tweede of derde generatie openbarend. Het onderzoek, in hoofdzaak (nog) van statistische aard, wordt bemoeilijkt door de gecompliceerdheid van de samenstelling van de bedoelde ver-
ontreiniging en de lage concentraties waarin zij voorkomen. Het moet allerrninst uitgesloten worden geacht dat, zelfs indien de bestrijding van de oppervlaktewatervervuiling bij de bron ter hand wordt genomen, het compromis wordt doorbroken en het gezondheidsaspect, de oorsprong en reden van het bestaan van onze bedrijven, opnieuw normatief wordt. Enerzijds kan dit leiden tot het meervoudig toepassen van bewerlcingen, mcar evenzo tot het toepassen van een grotere diversiteit van bekende en mogelijk onbekende zuiveringsbewerkingen.
Literatuur 1. Leeflang, K. W. H. Kwaliteitsverandering door i~zfiltratie,17e Vakantiekursus (1965). 2. Rook, J. J. en Oskam, G. Biologisch-cl~emischeervaritzgen ?net opslag van Rijnwater, H 2 0 11 (1969). 3. NeIisse, W. P. Destratificalie nzet behzilp van sainetrgepersta luclzl. Intern rapport DWL Rotterdam. 4. Ridley en Steel. Medewerkers MWB Londen: Persoonliike mededellnge~l. 5. Camp, T . R. en Stein, P. C. Velocity Gradierzts and I~rter*ralWork in Fluid Motion. J. Boston Soc. Civ. Eng. 30:219 (1943). 6. Hudson jr., H. E. Plrysical aspects of flocculation. JAWWA - 7 - (1965). 7. Harris, H. S., Kaufman, W. J. en Krone, R. B. Ortlzokinetic flocculatio~z in water pzrrification. JAWWA - 6 (1966).
IR. P. L.KNOPPERT
De invloed van het ontwerp op de kostprijs*) 1. Inleiding I n het kader van deze vakantiecursus client thans het kostenaspect aan een onderzoek te worden onderworpen. In eerste instantie leek het hierbij aantrekkelijk om te zoeken naar - liefst eenvoudige - verbanden tussen de absolute kosten van een zuiveringsinstallatie of onderdeel daarvan en bijvoorbeeld het zuiveringssysteem, de ruwwaterkwaliteit of het leveringsvermogen van het bedrijf. Het resultaat stelde teleur; het aantal variabelen was te groot en het aantal gegevens te klein. Als belangrijkste van invloed zijnde variabelen kunnen worden genoemd: 1. De kwaliteit van het ruwe water en de daarbij behorende zuiveringssystemen; 2. De plaatselijke situatie en de mogelijkheden van aan- en afvoer; 3. De persoonlijke inzichten in het te volgen systeem van zuivering; 4. De eisen van veiligheid ten aanzien van het leveringsvermogen; 5. De toelaatbaar geachte snelheden in het zuiveringsproces. In de onderstaande behandeling van prijzen en kosten zal derhalve meer gestreefd worden naar het aangeven van trends dan naar absolute juistheid van cijfers. Teneinde te kunnen nagaan waaraan uit kostenoverwegingen de meeste aandacht geschonlcen moet worden is het nuttig een nadere beschouwing te wijden aan de opbouw van de kostprijs van de waterzuivering. Kan worden uitgegaan van een schoon grondwater dan blijkt de kostprijs van de zuivering voor het overgrote deel te worden bepaald door de kapitaalskosten en de energiekosten. De behandelingskosten maken er slechts een gering deel van uit. Interessanter is het dan ook om te zien hoe dit ligt, indien vervuild oppervlaktewater het uitgangsprodukt is. Als voorbeeld volgt hieronder een analyse van de kostprijs van de zuivering op het Berenplaatbedrijf van de Rotterdamse Drinkwaterleiding. De gegevens zijn in centen per m3 op basis van uitkomsten van 1969. *) Laatste voordracht in de 22e Vakantiecursus Drinkwatervoorziening ,,Het ontwerpen van zuiveringsinstaUatiesl' welke op 15 en 16 januari 1970 in Delft werd gehouden.
HzO (4) 1971, nr. 16
A. LVariabele kosten I. energie 1,3 brandstof bediening en onderh. 0,7
Tenslotte zal nog aandacht worden geschonken aan de invloed van het systeem van afschrijving op de kostprijs.
2. De bouwkosten van waterzuiveringsinstallaties en de invloed van 11. zuivering de bedrijfsgrootte chemicalien: Teneinde na te gaan welke invloed act. kool de bedrijfsgrootte op de bouwkosten ijzer (3+) heeft zijn van een zestal Nederlandse chloor recent gebouwde zuiveringsbedrijven kalk de bouwkosten vergeleken. T e weten coag. hulpm. van de oppervlaktewaterbedrijven Baanhoek (Dordrecht), Andijk (PWN) 3,s en Berenplaat (Rotterdam) en van de bediening en onderh. 0,s grondwaterbedrijven Huybergen (Zeeland), Bergambacht (Gouda) en Lei111. huisvesting duin I1 (Amsterdam). kantoren, magazijnen, Bovendien zijn vijf Arnerikaanse opterreinen, wegen enz. pervlaktewaterbedrijven mee in beschouwing genomen, nl. van WashingIV. diversen 0 2 ton Suburban (95 x 106 m3/j), Dallas - (100 x 106), Philadelphia (400 x 106), Totaal 7,O Metropolitan Water District of Southern California (780 x 106) en ChicaB. Vaste kosten go (1300x 106). De bouwkosten zijn kapitaalskosten, bij vol belast be- via een kleine enquete door de bedrijf 10,O ctlm3. drijven zelf opgegeven. Zo zorgvuldig De belnvloeding van de kostprijs van mogelijk is daarna afgewogen wat in de zuivering kan uiteraard het meest de verschillende gevallen we1 en wat succesvol plaatsvinden op die onder- niet was meegerekend. Via het toedelen, die de grootste bijdrage aan rekenen, eventueel aftrekken van door deze kostprijs leveren. Dit blijken zeer auteur zelf geschatte kosten van beduidelijk de kapitaalskosten te zijn. paalde bedrijfsonderdelen zijn de beHierop zal dan ook in eerste instantie drijven zo goed mogelijk vergelijkbaar de aandacht zijn gericht. En we1 op gemaakt. Het gevaar is immers zeer de bouwkosten van zuiveringsbedrij- groot, dat bepaalde onderdelen bij het ven in het algemeen en de invloed van ene bedrijf we1 en bij het andere niet de bedrijfsgrootte op deze bouwkos- meegerekend worden of dat door verten. Zowel van grondwaterbedrijven schillende inzichten niet onaanzienlijals van oppervlaktewaterbedrijven. ke verschillen in snelheid (en dus in Wat deze laatste betreft aan de hand leveringsvermogen) in vergelijkbare van gegevens uit Nederland en uit de situaties worden toegelaten. Al deze Verenigde Staten van bedrijven die in zaken zijn er zo goed mogelijk uit de laatste tijd zijn gebouwd en waar- weg gerekend waardoor verschillende van de bouwkosten dus nog goed ver- bedrijven uit de aard der zaak nogal gelijkbaar waren of te maken waren. gingen afwijken van hun werkelijke Een soortgelijk onderzoek is ingesteld verschijningsvorm. Bij dit ,,vergelijkten aanzien van aanlegkosten van baar rekenen" zijn de onderstaande spaarbekkens in Nederland. Ook hier uitgangspunten gehanteerd. zal de relatie worden gelegd tussen 1. De waterwinning behoort tot het aanlegkosten en eenheidsgrootte. Verbedrijf. volgens zullen de kosten van enkele Voor een oppervlaktewaterbedrijf beonderdelen van de zuiveringsinstalla- tekent dit dus, dat het inlaatpompstaties nader worden beschouwd, nl. de tion, dat het ruwe water uit de rivier kosten van snelfilterinstallaties, de pompt, meegerekend is. Aan die bekosten van de reinwaterberging, het drijven, die met een eenvoudig inlaatsysteem van energieopwekking en de werk als prise d'eau kunnen volstaan automatisering. is een bijbehorend pompstation toege-
rekend. Bij de grondwaterbedrijven zijn de putten en de leidingen van de putten naar het bedrijf meegerekend. 2. Er is vanuit gegaan, dat bij een oppervlaktewater verwerkend bedrijf een kalamiteitsbekken behoort. Onder een kalamiteitsbekken wordt een bekken verstaan, dat bij of in de naaste omgeving van het zuiveringsbedrijf ligt en een zodanige inhoud heeft dat het gedurende ca. 3 weken in de ruwwaterbehoefte van het zuiveringsbedrijf kan voorzien. Het dient om kalamiteit in de aanvoer te overbruggen, bv. ernstige olieverontreiniging op de rivier; (de endosulf anaff aire) of ernstige storing in de aanvoerleidingen. Was een dergelijk bekken bij een bepaald bedrijf niet aanwezig, dan is het toegerekend. 3. Voor de zuivering van het oppervlaktewater is uitgegaan van een systeem, dat in hoofdzaak bestaat uit desinfectie en oxidatie (met breekpuntchloring), coagulatie, sedimentatie, filtratie, smaakcorrectie en pH correctie. Derhalve is niet gerekend met ozonbehandeling enlof actieve koolfiltratie. 4. T.a.v. sedimentatie en filtratie is gewerkt met klassieke snelheden, d.w.z. een oppervlaktebelasting van ca. 1 m per uur voor bezinking in horizontaal doorstromende bekkens, 3 g 4 m / h bij upflow sedimentatie en 7 m/h voor de snelfilters. Op grond van deze snelheden zijn de leveringsvermogens van de verschillende bedrijven vastgesteld.
5. Bij de grondwaterbedrijven is gerekend met een dubbele filtratie. Dit beperkt uiteraard we1 de gegevens, maar goede vergelijkbaarheid moet als eerste vereiste gelden. 6. Het distributiepompstation behoort niet tot het zuiveringsbedrijf. Een situatie dus zoals bv. te Leiduin. We1 tot het bedrijf behorend is het pompstation dat het water naar het distributiepompstation (resp. de reinwaterreservoirs) transporteert. Dit met bijbehorende bufferkelder, omdat zonder deze niet goed gewerkt kan worden.
7. Bij het zuiveringsbedrijf bevinden zich geen reinwaterkelders. Deze situatie, die overigens in de meeste gevallen ook concreet is, is een logisch gevolg van uitgangspunt 6. 8. Ten aanzien van de grootte van het bedrijf is gewerkt met het leveringsvermogen per jaar en een verhouding tussen levering op maximum dag
en gemiddelde dag van 1,4, een klassieke piekfactor, behorend bij een bedrijf met dagreservoirs. In Amerikaanse en Engelse literatuur wordt overwegend het maximale leveringsvermogen per uur aangegeven. Men neemt hiervoor dan meestal het totale filteroppervlak maal de maximaal toegelaten filtersnelheid. In het algemeen is dit een eenduidiger grootheid dan het leveringsvermogen per jaar aangezien hierbij de piekfactor een belangrijke rol speelt. In ons geval leidde het werken met het dagleveringsvermogen echter tot moeilijker hanteerbare cijfers, zodat toch is gewerkt met jaarcijfers zij het dan met een gefixeerde piekfactor voor alle bedrijven. 9. M e bouwkosten zijn gebaseerd op het prijsniveau van 1968. De bouwkosten van eerder gereed gekomen bedrijven zijn naar 1968 gerekend met een aangenomen jaarlijkse stijging van de bouwkosten van 3% %. Aangezien dit echter enigermate arbitrair is zijn slechts die bedrijven in de beschouwing opgenomen, die omstreeks die tijd zijn gereedgekomen.
10. De grondaankoop en e.v. pachtvrijmaking maken een onderdeel van de bouwkosten uit. 11. De bouwrente is in de bouwkosten meegerekend. Soms wordt deze daarvan apart gehouden, met name bij gemeentelijke bedrijven waar de bouwrente vaak automatisch jaarlijks aan het aangevraagde bouwkrediet wordt toegevoegd. Bij NV's geschiedt dit uiteraard nooit. Bij de huidige hoge rentevoet kan de bouwrente een aanmerkelijk deel van de bouwkosten uitmaken (bij bouwtijden van 3 B 4 jaar ca. 12 % tot 15 %). Uniforme behandeling is derhalve noodzakelijk. 12. Ter bepaling van de bouwkosten van de bedrijven in de USA is de koers van de dollar gesteld op f 3,60. Vanuit deze uitgangspunten zijn de bouwkosten en het leveringsvermogen van de eerder genoemde bedrijven berekend. Dit geeft nog we1 de nodige problemen. Andijk is bijvoorbeeld een bedrijf, dat in twee fasen zal worden gebouwd. De eerste fase is thans gereed. Hierin zijn echter reeds gedeelten in de eindfase gebouwd. Het in rekening brengen van de huidige bouwkosten en het huidige produktievermogen zou derhalve tot te hoge eenheidskosten leiden. Daarom is hier gewerkt met het uiteindelijke leveringsvermogen en zijn bij de huidige
bouwkosten de geschatte kosten opgeteld die nog moeten worden gemaakt om dit eindleveringsvermogen te bereiken. Zo heeft elk bedrijf zijn eigen problematiek meegebracht. De diverse projekten zijn uiteindelijk zo goed mogelijk vergelijkbaar gemaakt. De resultaten zijn dubbellogarithmisch uitgezet en weergegeven in afb. 1. Horizontaal is de jaarproduktie uitgezet in miljoen m3 en op de verticale as de relatieve bouwkosten in centen per m3. Teneinde de absolute bouwkosten te krijgen moeten deze bedragen dus vermenigvuldigd worden met de bijbehorende m3 leveringsvermogen per jaar. De drie beschouwde Nederlandse oppervlaktewaterbedrijvenzijn met kruisjes aangegevens. De hierdoor getrokken lijn lijkt mij willekeurig. De juistheid van de richting van de lijn wordt echter veel plausibeler, indien eerst eens naar de andere bedrijven wordt gekeken. Zo zijn de vijf verwerkte Amerikaanse oppervlaktewaterbedrijven met een kringetje aangegeven. Hierdoor is gemakkelijk een lijn te trekken. De drie hieronder liggende bedrijven zijn in gebieden met mild tot warm klimaat gelegen en zijn dan ook praktisch geheel in de openlucht gebouwd. Dit in tegenstelling tot de bedrijven, die net boven de lijn liggen en geheel of voor het grootste deel overdekt zijn. Heel duidelijk is ook de situatie bij de beschouwde drie Nederlandse grondwaterbedrijven, die met een ster zijn aangegeven. Deze liggen praktisch op 6611 lijn, die m goed als evenwijdig blijkt te lopen aan de Amerikaanse lijn. Tenslotte is in afb. 1 nog door rniddel van een stippellijn aangegeven de bouwkosten van traditionele rioolwaterzuiveringsinstallaties, zoals deze zijn gevolgd uit een onderzoek van ir. J. Zeper. Voor dit geval zijn op de horizontale as echter niet de jaarprodukties uitgezet, maar het aantal inwonerequivalenten, dat door de verschillende installaties wordt behandeld en dat als zodanig eenzelfde maat voor de bedrijfsgrootte is als de jaarproduktie voor de drinkwaterbedrijven. De absolute hoogte van deze lijn mag derhalve niet vergeleken worden met die van de drinkwaterbedrijven. We1 echter de helling, daar beide soorten bedrijven zeer sterke verwantschappen in de bouw hebben. Het blijkt nu, dat deze lijn weer evenwijdig loopt aan de gevonden lijnen van de waterleidingbedrijven. De trend, die bouwkosten vertonen bij stijgende bedrijfsgrootte, ligt nu we1 H20(4) 1971, nr. I6
I
Deze optimalisering kan worden verkregen door het zuiveringsproces als BBn geheel te beschouwen, waarvan het eindresultaat aan de gestelde eisen moet voldoen en niet als een aantal processen achtereen, die elk een maximaal resultaat moeten hebben. Zo is het bijvoorbeeld niet nodig om uit een sedimentatie-inrichting door middel van een lage oppervlaktebelasting een effluent te verkrijgen met een uiterst laag ijzer-(of aluminium)gehalte, aangezien na deze sedimentatiefase een snelfiltratiefase toch niet ontbeerd kan worden. Zorg er dan voor, dat deze snelfiltratie zijn gedeelte van het werk doet. In dit geval moet gezocht worden naar de m e a t economische combinatie van beide processen. Dit zal een combinatie zijn, waarbij de snelheden in beide processen optimaal zijn. Op dit punt zijn nog belangrijke besparingen mogelijk door een afgeAfb. 1 wogen en zorgvuldig bestudeerd ontwerp. Zo zullen bijvoorbeeld de klasduidelijk vast en de richting van de ter kunnen uitgaan, thans ongeveer sieke snelheden in snelfilterinstallaties, bouwkosten van de beschouwde op- 30 % goedkoper dan bedrijven, die zijnde 5 B 7 m per uur, verdubbeld pervlaktewaterbedrijven is derhalve in oppervlaktewater moeten gebruiken. kunnen worden bij een zorgvuldige, het geheel niet zo willekeurig als deze Dit geldt uiteraard voor de huidige veelal meerlaagse bedopbouw. Nageoorspronkelijk geleek. procesvoering. Wanneer blijkt, dat het gaan is wat dit financieel voor de snelUit afb. 1 kunnen nu een aantal con- oppervlaktewater zodanig is (of filterinstallatie van de Berenplaat zou clusies worden getrokken. wordt), dat het zuiveringsproces ver- betekenen. Dit procesgedeelte heeft 1. Stijging van de bedrijfsgrootte der moet worden uitgebreid zullen de 7,2 miljoen gulden gekost, geheel comgeeft een duidelijke daling van de bouwkosten verder uit elkaar gaan pleet, dus inclusief gebouw, inrichting relatieve bouwkosten. Bij verdubbe- lopen. van het gebouw en snelfilterinstallatie. ling van de grootte van de bedrijfs- 3. In de USA worden de oppervlakte- (Dit is f 3.750,- per m2 zandbedopeenheid bedraagt deze 17 %. Vertienwaterbedrijven ca. 15 % goedkoper pervlakte). voudiging van de bedrijfsgrootte doet gebouwd dan in Nederland. I n werkede relatieve bouwkosten tot op de lijkheid kan dit nog we1 meer zijn, Verdubbeling van de filtratiesnelheid helft teruglopen. Zeer duidelijk volgt aangezien bij de berekeningen voor de zou betekenen, dat het zandbedopperhieruit het voordeel om althans op- waarde van de dollar de officiele wis- vlak tot de helft kon worden verminpervlaktewaterbedrijven als zo groot selkoers van f 3,60 is aangenomen, derd. De rest van het gebouw blijft mogelijke eenheden te bouwen. Het hetgeen waarschijnlijk te hoog is als praktisch gelijk. De totale kosten zoutegenargument, dat de winst weer ver- wordt uitgegaan van het gemiddelde den in dit geval tot 5,O rniljoen gulden loren zal gaan door de grotere trans- prijzenniveau in beide landen. Dit teruglopen. (Dit is nu f 5.200,- per portkosten naar de verbruikscentra wordt veroorzaakt door het feit, dat ma bedoppervlakte). Ten opzichte van gaat niet op, aangezien in Nederland de Amerikaanse bedrijven over het de oorspronkelijke kosten dus een vera1 snel de situatie gaat ontstaan, dat er algemeen iets rationeler en compacter laging van 30 %. nog maar een beperkt aantal plaatsen worden gebouwd dan de Nederlandse. In andere procesonderdelen zullen is, waar het ruwe oppervlaktewater Door overname van deze bouwmetho- door toelaatbare snelheidsverhogingen ter beschikking staat, nl. daar waar de den moet een besparing van 10 % op bij geavanceerd ontwerp dergelijke spaarbekkens zijn gesitueerd. de Nederlandse zuiveringsbedrijven besparingen zijn aan te brengen. EchBij de zuivere grondwaterbedrijven zeker mogelijk geacht worden. ter niet in alle delen. Auteur meent ligt dit uiteraard geheel anders. Hier Naast de in punt 1 van de conclusie echter aan de veilige kant te zijn als wordt de bedrijfsgrootte gelirniteerd aangegeven relatieve bouwkostenbe- hij de op deze wijze te verkrijgen door de grondwaterbalans. sparing door concentratie en daardoor ,,over all" besparing voor het gehele Voor de zuiveringsbedrijven, die ge- vergroting van de zuiveringsbedrijven zuiveringsbedrijf op de helft van de infiltreerd grondwater zullen gaan en naast de in punt 3 aangegeven ab- gevonden 30 % stelt, derhalve op verwerken, geldt hetzelfde als voor de solute bouwkostenbesparing door de 15 %. Dit opgeteld bij de in punt 3 oppervlaktewaterbedrijven. Ook hier wijze van bouw is er nog een belang- reeds gevonden 10 % geeft een totaal zal het (zo nodig in fasen) bouwen rijke besparing mogelijk in de absolute mogelijke besparing, althans voor opvan geconcentreerde, zo groot moge- bouwkosten, althans zeker in die van pervlaktewaterbedrijven, van 25 % op lijke zuiveringsbedrijven tot aanzien- oppervlaktewaterbedrijven en we1 de absolute bouwkosten. Deze komen lijke besparingen leiden. door betere optimalisering van de zui- dan op het in afb. 1 met een gestreep2. In Nederland zijn drinkwaterpro- veringsprocessen en door vergroting te lijn aangegeven niveau. Het moet mogelijk zijn nieuwe instalduktiebedrijven, die van grondwa- van de processnelheden. I
H20(4) 1971, nr. 16
in de Braakman zijn als Mn bekken gerekend. De aanlegkosten van de tussendijk behoeft hierbij niet afgetrokken te worden, omdat deze dijk in de plaats komt van een stuk dijk van ongeveer gelijke lengte in bekken II, dat a1 aanwezig was als onderdeel van het eerder gebouwde bekken I. Zo hebben meerdere verrekeningen plaats gevonden. De aldus ontstane aanlegkosten zijn daarna op diverse wijzen beschouwd, nl. in vergelijking tot de bekken oppervlakte, tot de nuttige bekkeninhoud en tot de absolute bekkeninhoud. Er bleek hierbij een duidelijke correlatie te ontstaan tussen de absolute bekkeninhoud en de aanlegkosten per m3 bekkeninhoud. Dubbellogarithmisch uitgezet is deze correlatie rechtlijnig. Afb. 2 geeft het beeld. Opvallend zijn vooral twee zaken. Afb.2
a. De bekkendiepte speelt bij de aangenomen uitgangspunten nauwelaties in Nederland bij de aangenomen e. De eventuele maatregelen, die ge- lijks een rol. Toch loopt deze diepte uitgangspunten volgens deze kostenlijn nomen moeten worden om de wa- bij de diverse bekkens nogal uiteen. te bouwen. terdichtheid te verzekeren, zijn mee- De Biesboschbekkens zijn ca. 19 m diep, de bekkens in Zeeuws-Vlaandegerekend. ren zijn 10 m diep, het Berenplaat3. De bouwkosten van spaarbekkens f. De werken die in diepe bekkens bekken heeft een waterdiepte van 6% Op dezelfde wijze als is geschied voor moeten worden uitgevoerd ter m en de bekkens te Dordrecht en Ande zuiveringsbedrijven zullen de voorkorning van stratificatie (rond- dijk zijn nog ondieper. Voor een onbouwkosten van een aantal in Neder- pompinstallaties of luchtbelschermen) diep bekken moet meer grond worden land gebouwde of ontworpen spaar- zijn meegerekend. aangekocht dan voor een diep bekken bekkens worden beschouwd en' zal g. Kosten voor grondaankoop en met dezelfde inhoud en de dijklengte worden bepaald wat de invloed van pachtvrijmaking zijn in rekening is langer. De hogere kosten, die dit de grootte van het bekken op de relamet zich brengt, blijken echter prakgebracht. tieve bouwkosten is. De kosten van de tisch weg te vallen tegen de extra kosbekkens moeten weer vergelijkbaar h. De bouwkosten zijn gerekend in- ten die in diepe bekkens moeten worclusief de bouwrente. worden gerekend onder aanname van den gemaakt voor waterdichtheid, de onderstaande uitgangspunten, res- i. Alle bouwkosten zijn contant ge- moeilijker taludbescherming, stabilipectievelijk beperkingen. maakt tegen 1968/ 1969, waarbij teit van de taluds en voor het ophefa. Alleen de kosten van de bekkens gerekend is met een plaatsgevonden fen van stratificatie. ,,secY'worden berekend. In- en uit- hebbende jaarlijkse bouwkostenstijging b. De scherpe relatieve kostendaling laatwerken worden dus niet meege- van 3% %. bij het groter worden van de bekteld. We1 de wegen op de dijken, de kens. Bij verdubbeling van de bekkentaludbekleding, de landschappelijke Vanuit deze uitgangspunten zijn de inhoud nemen de relatieve aanlegkosaanlegkosten van een aantal bekkens verzorging en een eventuele aanlegten af met ca. 28 %. Bij vertienvoudiplaats bij het bekken als dit rondom in Nederland vergeleken, te weten het ging van de inhoud lopen de aanlegin het water ligt, zoals bijvoorbeeld de bekken ,,Grote Rug" te Dordrecht, kosten per m3 inhoud tot ongeveer het bekken Andijk, het bekken I en Biesbosch bekkens. 113 terug. b. De voor de dijksopbouw benodig- de bekkens II en 111 in de Braakman, de specie kan direct aan het bek- het Berenplaatbekken en de bekkens De conclusie kan getrokken worden, in de Biesbosch. Bij deze laatste zijn ken zelf worden onttrokken. van de twee grootste bekkens de ge- dat uit kostenoverwegingen naar zo c. De eventuele afvoer van overtol- raamde aanlegkosten gerekend. Uit de groot mogelijke spaarbekkens qua ablige grond uit het bekken brengt aard der zaak moeten weer de toe- solute inhoud moet worden gestreefd, geen extra kosten met d c h mee. Aan- rekeningen en aftrekkingen worden waarbij de diepte geen overheersende genomen is hierbij, dat de kosten van toegepast om de projecten vergelijk- rol speelt. (Uit planologische en limnohet opgraven en afvoeren van deze baar te maken. Zo heeft men bijvoor- logische overwegingen zal echter vaak specie worden gecompenseerd door de beeld te Andijk slechts aan Mn kant de voorkeur aan diepe bekkens worwaarde ervan. een dijk behoeven aan te leggen, om- den gegeven). d. De kosten, die vooral bij diepe dat aan de andere zijde a1 een dijk bekkens nodig zijn ter verzekering aanwezig was. De aanlegkosten van 4. De bouwkosten van reinwaterreservoirs van de stabiliteit van de taluds bij deze laatste dijk zijn nu aan het bekken toegerekend. De bekkens I1 en III Gezien de aandacht, die door eerdere zakkend water, zijn meegerekend. HzO (4) 1971, nr. 16
a
sprekers reeds aan dit onderwerp is gewijd, kan hier volstaan worden met enkele opmerkingen. a. Er wordt regelmatig discussie gevoerd over het a1 of niet goedkoper zijn van stalen reinwaterreservoirs ten opzichte van uitvoering in beton. volg&ns auteur ter beschikking staande gegevens winnen thans de stalen reservoirs, indien bij ontwerp en bouw voldoende gebruik wordt gemaakt van de ervaringen, die vooral door de olieindustrie op dit gebied zijn opgedaan. Grote stalen reservoirs (15.000 B 20.000 m3 en groter) moeten te bouwen zijn voor circa f 70,- B f 75,per m3 nuttige inhoud, terwijl deze in beton moeilijk beneden de f 90,per m3 nuttige inhoud zijn te krijgen (inclusief de fundering). b. Bij de beantwoording van de vraag of zgn. dagreservoirs danwel weekreservoirs bij een zuiveringsbedrijf zullen worden gebouwd, spelen de bouwkosten van dit zuiveringsbedrijf een belangrijke rol. Bij dagreservoirs zal het zuiveringsbedrijf aan de gemiddelde vraag op de maximum dag moeten kunnen voldoen. Deze bedraagt veelal circa 1,4 maal de vraag op de gemiddelde dag. Bij toepassing van weekreservoirs, die volgens de berekeningen van ir. K. D. Venhuizen circa Wee maal zo groot moeten zijn als dagreservoirs, behoeft het zuiveringsbedrijf maar 1,2 maal de vraag op de gemiddelde dag te kunnen leveren. In dit laatste geval kan het zuiveringsbedrijf derhalve circa 14 % kleiner zijn dan in het eerste. Deze lagere bouwkosten staan tegenover de hogere kosten van de 2 maal zo grote reinwaterreservoirs. Er mag echter niet van worden uitgegaan, dat de bouwkostenverlaging van het zuiveringsbedrijf ook 14 % zullen bedragen. Volgens afb. 1 stijgen de relatieve bouwkosten bij 14 % verkleining van het bedrijf met ongeveer 4% %. Deze relatieve bouwkostenverhoging mag niet worden verwaarloosd.
5. De invloed van de energievoorziening op de kosten De optirnale energievoorziening van een zuiveringsbedrijf is een veel besproken (en betwist) punt. De oplossingen lopen uiteen van geheel eigen voorziening tot volledige afhankelijkheid van het openbare net met grote of kleine noodstroomcentrale. Diverse tussenvormen zijn eveneens mogelijk. Teneinde de absolute waarde en de relatieve invloed van een en ander te HzO (4) 1971, nr. 16
Afb. 3
- Prognose van het gerniddelde uurverbruik.
kunnen nagaan zijn in het onderstaande voorbeeld diverse vormen van energie-voorziening in een middelgroot zuiveringsbedrijf doorgerekend. Het betreft een bedrijf voor chernische waterzuivering met een hoogste gemiddelde uurproduktie van 9500 m3. De piekfactor bedraagt 1,4 zodat bet gemiddelde netto produktievermogen op de maximumdag 13.300 m3 per uur bedraagt. Bij het bedrijf behoren reinwaterreservoirs en een distributiepompstation. De gemiddelde opvoerhoogte bedraagt 27 m en de maximale moment afname'bedraagt 27.000 m3 per uur (280 % van de gemiddelde afname). Het bedrijf begint te draaien op een jaar gemiddelde van 7.000 m3/ h en heeft na 5 jaar zijn maximum bereikt. Zie afb. 3. Voor de hoge druk pompen worden eenheden v a n gelijke grootte gekozen en we1 van 4.500 m3/ h bij de gestelde gemiddelde opvoerhoogte. Ze kunnen zijn aangedreven door elektromotoren of door dieselmotoren. In beide gevallen wordt er mee gerekend, dat op het moment van maximum afname (27.000 m3/h) nog CCn reserve eenheid aanwezig moet zijn, terwijl er in het geval van de dieselgedreven pompen bovendien op wordt gerekend dat er op dat moment 6611 eenheid in onderhoud is. Bij elektrisch gedreven pompen komen we derhalve op 7 eenheden en bij het dieselpompstation op 8 eenheden. Bij het dieselpompstation is er op gerekend dat de warmte van het koelwater zo veel mogelijk wordt benut voor verwarming van het bedrijf. Wordt het hogedrukpompstation elek-
trisch uitgevoerd, dan moet de volledige verwarming afzonderlijk plaats vinden. De ketels zijn in het hogedrukpompstation opgesteld. Het overige deel van het bedrijf zal geheel elektrisch worden gedreven. Het maximaal hiervoor benodigde vermogen bedraagt naar raming 3.600 kW en het gemiddelde vermogen 2.300 kW. Voorts zal er worden gerekend met een kleinste noodvermogen van 1.000 kW, zijnde het minimaal benodigde elektrisch vermogen om het zuiveringsbedrijf te laten draaien met een produktie van 11.000 m3/h, de gemiddelde uurafname in de maximum maand. I n dit geval is alles wat maar even gemist kan worden afgeschakeld. Ten aanzien van het hogedruk pompstation ziin drie svstemen onderzocht: 1. alle pompen dieselgedreven; 2. 50 % diesel en 50 % elektrisch gedreven met noodstroomvoorziening; 3. alle pompen elektrisch gedreven, met noodstroomvoorziening. Hierbij zijn voor de overige energievoorziening de volgende mogelijkheden: 1. uit bet openbare net, met noodstroomvoorziening; 2. volledig eigen energievoorziening. In de gevallen, dat er een noodstroomcentrale is gelnstalleerd zal deze tijdens de piekuren worden ingeschakeld teneinde een zo gunstig mogelijk elektriciteitscontract te verkrijgen. Wordt &it niet gedaan dan is deze opstelling zonder meer te duur
.
TABEL I
- Diverse mogelijkheden van energievoorziening hd pompstation
code
dieselpompen
pompen m. elek. mo. & 470 KW
-
D-PC D-C
elektriciteit uit openbaar net ia neen
eigen centrale
noodstroom centrale (piekuren centralel
-
1000 KW
3600 KW reserve
+
+
DE - PC
4
4
ja
-
DE-C
4
4
neen
3600 KW + 3 x 470 KW
7
ja
3600 KW 7 x 470 KW -
E-PC E-C
-
7
neen
E - PC'
-
7
ia
1000 KW 2 x 470 KW
+
-
+
1000 KW 6 x 470 KW
1000 KW 4 x 470 KW
+
Het al~emene onderhoud is eveneens bij deze kosten gerekend. Voor het variabele deel der exploitatiekosten is in rekening gebracht: a. gasolieverbruik B f 11,90 per 100 1; b. verbruik en verversen van smeerolie B f 1,- per 1; c. onderhoud van de dieselmotoren; d. aankoop elektrische energie B f 0,05 per kwh; e. stookolieverbruik cv installatie B f 65,- per 1.000 kg. Resultaten bij volbelast bedrijf. In tabel II en in afb. 4 zijn de uitkomsten samengevat. De cijfers geven aanleiding tot een aantal opmerkingen. 1. De kosten ontlopen elkaar niet bijzonder veel.
In tabel I is een overzicht gegeven van tijdens maximum waterafname kunde combinaties die zijn doorgerekend. nen niet de benodigde 6 maar slechts Combinatie D - P C heeft een hoge- 4 hd pompen op de noodcentrale wordruk pompstation met 8 dieselgedre- den genomen. ven pompen, betrekt de overige ener- Drukvermindering zal dan het gevolg gie uit het net en heeft een nood- zijn. De kans hierop is echter uiterst stroomcentrale, die in de piekuren gering te achten en met de 4 pompen waarvoor noodvermogen is opgesteld wordt bijgeschakeld. Combinatie D - C heeft eenzelfde ho- kan op een gemiddelde dag nog de gedrukpompstation, doch een geheel maximum uurafname geleverd woreigen energievoorziening waarmee dus den. Hoewel deze combinatie derhalve de top van 3.600 kW geleverd moet minder veilig is dan de vorige is het kunnen worden met daarop tenminste verantwoord te achten deze in de verC6n generator eenheid reserve uit vei- gelijkende berekening op te nemen. Voor de berekening der investeringen ligheidsoverwegingen. DE - PC heeft in het hogedrukpomp- is er van uitgegaan, dat in het hd station 4 dieselgedreven en 4 elektrisch pompstation ook de (noodstroom) gedreven pompen, betrekt de be- centrale is opgenomen, benevens de nodigde elektrische energie uit het net schakelwacht, de hoogspanningsruimen heeft een noodstroomcentrale van ten en de centraleverwarmingsinstalla1.940 kW (1.000 kW voor het zuive- tie. ringsbedrijf en 2 x 470 kW voor 2 Voor e k e combinatie zijn de volgende hogedrukpompen). Hierbij wordt er onderdelen afionderlijk geraamd invan uitgegaan, dacmaximum moment,- clusief de montage: de pompmotoren afname van water kan samenvallen elektrisch en diesel, de hogedrukpommet uitvallen van het openbare net, pen, de generatordiesels, de generatodoch dat dan alle dieselpompen kun- ren, de schakelvelden, de synchronisatie en regelapparatuur, de nettransnen draaien. DE - C heeft een eigen centrale, waar- formatoren, de algemene hulpinstalin behalve het topvermogen dat het latie voor de dieselmotoren, de bouwzuiveringsvermogen vraagt nog 3 x kosten inclusief de inrichting van het \ 470 kW voor de hd-pompen is gk- gebouw. installeerd. Hierin zit dan 470 kW De overige investeringen zijn voor alle reserve wat voor deze eigen centrale combinaties ongeveer gelijk. Het beals een verantwoord minimum kan treffen in hoofdzaak de kosten van de hoogspanningsinstallatie exclusief worden beschouwd. Voor de combinatie E - PC en E - C de transformatoren, de laagspanningsgelden gelijke overwegingen als hier- verdeelinstallatie, de installatie van de boven. De ingebouwde veiligheden schakelwacht en de centrale verwarminsinstallatie. zijn zoveel mogelijk gelijk gemaakt. Tenslotte is nog de combinatie E - PC' Vanuit de geraamde investeringen is beschouwd, die gelijk is aan E - PC, het vaste deel der exploitatiekosten maar een kleinere noodstroomcentrale berekend volgen het annuiteitensysteem met een rentevoet van 8 % en heeft. De veiligheid is nu dan ook geringer een afschrijving van de installatie in geworden. Bij uitvallen van het' net 15 jaar en van het gebouw in 40 jaar.
2. Volledig eigen energie opwekkihg
is iets duurder dan het geheel of gedeeltelijk afnemen van elektriciteit uit het net met installatie van een noodcentrale, die tijdens de piekuren wordt gebruikt. / 3. a. D - PC, goedkoopst, zeer veilig; b. DE - PC, iets duurder, regeltechnische nadelen en iets minder veilig; c. E - PC, duurst, even veilig als a; d. E - PC', even goedkoop als a, minder veilig dan a doch we1 acceptabel. 4. Voor de definitieve oplossing zal
een keuze moeten worden gemaakt tussen D - PC en E - PC'. Hierbij gelden de volgende overwegingen: D - PC is veiliger, maar geeft permanente luchtverontreiniging. De veiligheid van E - PC' is acceptabel, de installatie vraagt de geringste investeringen en is het eenvoudigst. Conclusie: combinatie E - PC' verdient de voorkeur. 5. Verlenging van de periode van af-
schrijving van de installatie van 15 tot 25 jaar verandert het beeld niet.
6. Een onderzoek naar de aanloopkosten geeft geen wijziging (zie afb. 4). Ten aanzien van de gemaakte keuze kan tenslotte nog de volgende opmerking worden gemaakt. Combinatie D PC en E - PC' lagen gelijk in kosten. Op grond van bijkomende argumenten kreeg E - PC' de voorkeur. De beste oplossing biedt echter D - PC waarbij een aantal motoren als zgn. dual-fuel motoren worden uitgevoerd en dus hoofdzakelijk op aardgas lopen waardoor het bezwaar van de luchtverontreiniging voor een belangrijk deel wegvalt. De oplossing is bovenH 2 0 (4) 1971, nr. I6
I
I
I
JAARKOSTEN VAN OE UIIYOFJIIHGEN H E 1 hVODSlROOMCENIRALE. ( t ~ v e m r g.bru#kl lnjdrns d. ptekurm)
AFSCHR'IVING AFSCHAJV ING
II
II
JAARKOSTEN VAN OE UllVOERlNGEN HE7 CENlRALE VOOR VOLLEDIGE ElGEN ENERGlEVOORZlENlNG
tW4Ojrar
25440pu
Afb. 4
dien de goedkoopste, mits de meest economische verdeling gemaakt wordt tussen het aantal dual-fuel motoren en het aantal normale dieselmotoren. Deze optimalisering is nodig omdat enerzijds de dual-fuel motoren belangrijk duurder zijn dan normale dieselmotoren terwijl anderzijds gas bij groot verbruik goedkoper is dan olie. De optimalisering kan plaatsvinden aan de hand van het dagpatroon van de waterafname. Het is een omvangrijk werk om dit nauwkeurig te doen doch de berekening leent zich voor een computer bewerking.
6. De invloed van automatisering De eerste vraag, die zich voordoet is in hoeverre door automatisering bespaard kan worden op de exploitatiekosten van een zuiveringsbedrijf. Het antwoord is drieledig. a. Besparing op het chemicalSngebruik. Een vaak beweerd voordeel van automatisering bij oppervlakteTABEL I1 ''
water bedrijven. Een nadere beschouwing van de in de inleiding gegeven opbouw van de chemicalienkosten leert echter anders. De kosten van ijzer, chloor, kalk en coagulatie hulpmiddel zijn zo laag, dat hier niet veel op te verdienen valt. En de vaststelling van de hoeveelheid actieve kool (in poedervorm), die per liter water gedoseerd moet worden is dermate grof (en subjectief!) dat een verfijning van de dosering via een geautomatiseerd systeem weinig zin heeft. b. Personeelsbesparing in de continudienst. Deze kan meer de moeite waard zijn. Per week zijn 4 ploegen nodig. Een besparing van 6611 man per continu-ploeg betekent dus een besparing van 4 man, hetgeen inclusief lasten en toelagen ca. f 120.000,- per jaar uitmaakt. Op een klein bedrijf met een jaarlevering van 10 miljoen m3 betekent dit 1,2 ce~t/m3.Gp een bedrijf als de Berenplaat (100 miljoen m3 per jaar) is het nog maar 0,12 ccim3. Op zeer grote bedrijven zoals
in de USA voorkomen wordt het verwaarloosbaar, op de Centraal District Plant van Chicago zou het een besparing geven van 0,01 ct/m3. In de Verenigde Staten, waar het automatiseringsproces over het algemeen verder is voortgeschreden dan bij ons n e t men dan ook moderne kleine bedrijven die vergaand tot volledig zijn geautomatiseerd naast moderne zeer grote bedrijven met een bepaald niet lage personeelsbezetting. c. Energiewinst. I n een eenvoudig bedrijf kan de optimale bedrijfssituatie meestal gemakkelijk worden bepaald omdat het aantal alternatieven gering is. In een meer gecompliceerd bedrijf met diverse pompstations in serie, geheel of gedeeltelijke eigen energie opwekking, dieselmotoren, gecentraliseerd verwarmingssysteem enz. is de optimale instelling van het bedrijf nauwelijks meer met de hand te bepalen. Hiervoor kan met succes een klein rekentuig worden toegepast waarin alle bedrijfsgegevens (Q - H hornmen, waterniveau's em.) zijn ondergebracht. Een energiewinst van 10 % - 20 % of soms nog meer is hiexmee we1 te behalen. Hetzelfde rekentuig kan meestai ook nog worden gebruikt voor algemene bedrijfsgegevens verwerkmg. De totale besparing die door automatisering uit a, b en c op de exploitatiekosten kan worden verkregen ban voor een flink bedrijf a1 gauw een % cent/m3 bedragen. Weegt dit nu op tegen verhoging van de vaste kosten die de automatisering met zich meebrengt? Gaan we als voorbeeld uit van een zuiveringsbedrijf, dat per jaar 100 miljoen m3 water levert en nemen we aan dat de bovengenoemde % ctlrna directe besparing kan worden verkregen, dan betekent dit f 500.000,- per jaar. Gesteld dat de onderhoudskosten van het gehele automatiseringssysteem f 100.000,- per jaar bedragen, dan
- Sumenvatting energiekosten (incl. hd pompstation)
-
Uitvoeringsvormen Totaal der investeringen Exploitatiekosten per jaar bij volbelast bedrijf Exploitatiekosten over de gehele afschrijvingstermijn variabele Exploitatiekosten kosten bij volbelast bedrijf vaste in centen/m3 afschr. 15/40 jaar kOSten totaal afschr. 25/40 jaar
totaal
H20(4) 1971, nr. 16
3,30
3,34
3,48
E - PC'
DE-C
E-C
f 12.519.000
f 15.427.000
f 15.373.500
f 2.928.857
f 2.988.813
f
f 42.935.208
f 43.980.165
f 45.103.635
1,83
1156
1,50
1,70 3.53
2,04 3.60
2,lO 3,60
3,31
--
3.064.487
montagekosten, bekabelingskosten en een evenredig deel van een centraal paneel is 50 % tot 100 % van de apparatuurkosten gerekend. De eerder als belangrijk voordeel genoemde automatische kwaliteitscontrole treedt pas op bij fase 6. Onder de bovengenoemde uitgangspunten brengt dit dus een kosten met zich mee van ca. f 25.000,- per punt. Indien voor de hoeveelheidsmetingen weeginrichtingen, inductieve doorstromingsmeters of metingen met rekstrookjes moeten worden gebruikt dan we1 indien correctie in de doseerstromen moeten plaatsvinden als gevolg van concentratiewijzigingen dan zal dit hogere tot veel hogere kosten dan in het overzicht staan met zich meebrengen.
resteert een netto winst op de variabele kosten van f 400.000,- per jaar. Bij een rentevoet van 8 % en een afschrijvingstermijn van 15 jaar mag hier een investering tegenover staan van ca. 3,s miljoen gulden. In het veronderstelde geval zullen de werkelijke kosten hier niet ver vandaan blijven. Belangrijk financieel voordeel valt er dus voor een bedrijf van behoorlijke grootte met vergaande automatisering nauwelijks te behalen. Hiermee is echter niet het laatste woord gesproken. Veel belangrijker, dan het vaak niet sterk sprekende financikile voordeel van auiomatisering is de betere kwaliteitsbeheersing, die hiermee kan worden bereikt. De zuiveringsprocessen worden steeds gecompliceerder, de snelheden in de verschillende zuiveringseenheden worden kritischer en we streven naar betere optimalisering van het bedrijf als geheel. Dit alles vraagt echter een steeds scherpere controle en een kritischer regeling. En juist op dit punt zal een geautomatiseerd proces duidelijk beter zijn dan een dat met de hand wordt bestuwd. Teneinde een indruk te krijgen in de kosten van de diverse fasen van procesautomatisering is het onderstaande overzicht uitgewerkt. Gedacht moet hierbij worden aan een te doseren vloeistof - of gasstroom via een leiding met een diameter van ongeveer 50 mm in de hoofdwaterstroom. Bij de prijsopstelling is er van uit gegaan, dat de hoeveelheidsmeting plaats vindt met een meetflens en de hoeveelheidsregeling met een regelafsluiter. Voor
Afb. 6
Na de voorafgaande beschouwingen is het tenslotte interessant om na te gaan wat de invloed is van gedane investeringen - bouwkosten - op de kostprijs van het afgeleverde water bij verschillende systemen van toerekening van de kapitaalslasten.
drijf gereed en vangt de levering aan. Het produktievermogen van de eerste fase bedraagt 28 rniljoen m3 per jaar en de bouwkosten waren 20 miljoen gulden. In 1988 komt de tweede bouwfase gereed, die 6 miljoen gulden kost. Het leveringsvermogen neemt toe tot 40 miljoen m3 per jaar, welke hoeveelheid in 2000 wordt bereikt. Nemen we aan, dat de gemiddelde af-
I n afb. 5 is het verwachte afnamepatroon en het bijbehorende produktievermogen van een gefingeerd bedrijf gegeven. In 1973 is de eerste fase van het beTABEL H i Fase
1
1
I
7. Investeringen en kostprijs Afb. 5
- Kostenvergelijking tussen diverse evolutiestadia der procesautomatisering
Bepaling van de hoeveelheid te doseren stof
Bediening doseertoestel
Bepaling hoeveelheid gedoseerde stof
door de operator
ter plaatse met de hand ter plaatse met de hand
geen indicatie
door de operator
ter plaatse met de hand
door de operator op centraal paneel
met de hand op afstand en noodbe diening ter plaatse kosten ca. f 2.500,+loo% de operator stelt gewenste gift in op een regeltoestel gift wordt in verhoudig tot hoofdstroom geregeld correctie van de instelling door de operator aan de hand van waarneming kosten ca. f 1.700,100 % de operator stelt vereiste kwaliteit in de gift wordt geregeld in verhouding met de hoofdstroom met correctie door kwaliteit 50 % kosten ca. f 6.000,-
ter plaatse m.b.v. een meetflens met direct aanwijzend meetinstrument kosten ca. f 1.000,50% ter plaatse en op afstand op centraal paneel kosten ca. f 3.000,100%
z$z$e kosten
+
f
+
f
door de operator op centraal paneel
-
6
zie punt 3
+
zie punt 3
+
zie punt 3
HgO (4) 1971, nr. 16
50
KAPITAALSLASTEN I N
KAPITAALSLASTEN IN
-
clnlm'
-- - - -
-U*EW/mooulll~P U J A M
-----
"
PER 1 JAAR
LO
in 1983, gaan de inkomsten de uitgaven overtreffen. Eenvoudiger ligt dit bij het systeem van de gelijkblijvende prijs over kortere perioden (streeplijn t.0.v. getrokken lijn).
,,
.,
ctn/d
1111 PER JlUl PER 7 l l U l GEHlODEUl
AFXHlmN6 VOLSEHE *hrmlrElrER
-
\ E
30
0
1
1970
75
80
'05
90
91
2000 jaartaL
8. Besluit a. In de komende periode zijn er geen ingrijpende veranderingen in de systemen van waterzuivering te verwachten. De zwarte doos, waarin iets heel bijzonders zit verborgen, dat nog niemand kent en dat ons bijzonder zal helpen, bestaat niet.
-
I
-1
1970
75
'EO
'85
90
'95
2000 laartal
b. Door verdergaand gebruik van verontreinigd oppervlaktewater enerzijds en door verhoogde kwaliteitseisen anderzijds zal het aantal behandelingsstappen toenemen, hetgeen kostenverhogend zal werken.
Afb. 7a
Afb. 7b
schrijving van het bedrijf 3 % is en de rentevoet 6,s %. De anndteit bedraagt dan 7,43 %. Beschouwd wordt de periode 19732000. In afb. 6 zijn kapitaalslasten van het bedrijf gegeven. De getrokken lijn geeft de jaarlijkse kapitaalskosten bij afschrijving volgens een vast % van de aanschaffingswaarde en de gestreepte lijn bij afschrijving volgens annuiteit. I n afb. 7a zijn vervolgens de kapitaalslasten bij afschrijving volgens een vast percentage van de aanschaffingswaarde op verschillende manieren toegerekend aan de geproduceerde hoeveelheid water. Bij de getrokken lijn zijn jaar voor jaar de lasten toegerekend aan de in dat jaar geproduceerde hoeveelheid water. Uit financieringsoverwegingen is dit een zeer veilige methode, doch het leidt tot zeer hoge kostprijzen in de eerste 5 tot 7 jaar met een dalende tendens, die oorspronkelijk snel en daarna langzaam verloopt. De afnemers van de eerste jaren betalen voor de toekomstige afnemers, hetgeen uit billijkheidsoogpunt niet bevredigt. Veel beter is in dit opzicht een geheel gelijkblijvend prijsverloop zoals gegeven door de streep-punt lijn. Hier zijn de totale kapitaalslasten over de beschouwde periode toegerekend aan de totale geproduceerde hoeveelheid water. Deze methode schept echter gedurende vrij lange tijd een financieringsprobleem aangezien bij een totaal gemiddelde prijs aanvankelijk aanzienlijk rninder rente- en afschrijvingsinkomsten worden ontvangen dan moeten worden betaald.
In de latere jaren wordt dit weer goed gemaakt, mits de werkelijk afgeleverde hoeveelheid water de prognoselijn blijft volgen. Blijf t deze hierbij achter dan ontstaan er moeilijkheden. Deze methode draagt dan ook een vrij groot risico in zich. Tussen de twee uitersten in kan gekozen worden voor een systeem waar- Hierdoor moet het mogelijk blijven te bij de getotaliseerde kapitaalslasten voldoen aan onze taak die reeds in de van een aantal jaren, bijvoorbeeld 7 eerste les van deze vakantiecursus jaar, wordt toegerekend aan de ver- door de heer Van der Veen werd omwachte totale wateraflevering in die schreven als: periode. De resultaten van dit systeem ,,Het leveren van voldoende water van zijn in afb. 7a aangegeven met een goede kwaliteit tegen een redelijke streeplijn. prijs". Enerzijds zijn de kostprijzen in de eerste jaren belangrijk minder hoog dan bij het eerst besproken systeem, Afb. 8 anderzijds is hier steeds na elke pe- I 1 riode een correctie mogelijk, indien de afgeleverde hoeveelheid water niet volgens de prognose is verlopen, waardoor het systeem belangrijk minder riskant is dan de tweede besproken methode. In afb. 7b zijn dezelfde rekenmethoden gevolgd, maar dan bij afschrijving volgens annuiteiten. In afb. 8 zijn vervolgens voor de drie beschreven systemen de verscbillen tussen de jaarlijks te betalen kapitaalskosten bij afschr"ving volgens AFSHRUVING WlLGFNS VAST 6 VAN DE een vast % van de aan&iffingswaarAANSCWRNOSW4DROE de en de doorberekende kapitaalskosten af te lezen. ---_oOOI1BEIWOE WrnLLIUrn 81 PRUE Zeer duidelijk is het langdurige en _.__WORBEmw DOaaaa omvangrijke financieringsprobleem te zien bij het werken met het systeem van de over de volle periode gelijk blijvende kostprijs (streep-puntlijn t.0.v. getrokken lijn). Pas na 10 jaar,
HzO ( 4 ) 1971, nr. 16
c. Door echter niet langer intdtief te ontwerpen, maar door diepere kennis van de technologie van deiuiveringsprocessen en door de daaruit voorkomende mogelijkheid tot optimalisering van de installaties in hun onderdelen en als totaliteit in zuiveringsbedrijven van adequate grootte kan nog belangrijke winst worden geboekt.
'
7-S
CWOSDE
I*RI*USUITOI CEUS
lnhoud
Woord vooraf
. Prof
. ir . A . L. Bouma . .
Algemene inleiding - Prof . ir. L. Huisman
. . . . . . . .
Systematische raming van het toekomstig waterverbruik - ir . C. van der Veen
. . . . . . . . . . . . . . . .
Variatie in het waterverbruik per dag, per week en per jaar gekoppeld aan het bergingsvraagstuk - ir . K . Venhuizen
. . . . . . . .
Produktievermogen en bedrijfszekerheid - ir . C . J . Vaillant
. . . .
Het ontwerp voor winning en zuivering van grondwater - A . J . N Horstmeier
. . . . . . . . . . . . . . .
Winning en zuivering van oppervlaktewater - ir . Tj. Hofker
. . . .
De invloed van het ontwerp op de kostprijs - ir. P . L . Knoppert
. . .
