Den federala regeringen rapporterar att 40 delstater förväntar sig vattenbrist till 2024 och vattenbekymmer plågar redan vissa städer över hela USA. Underjordiska akviferer som var överuttagna i åratal ropar nu på att fyllas på. Problemet är att de två huvudstrategierna för att öka vattentillgången – uppsamling av dagvattenavrinning och återvinning av renat avloppsvatten – vanligtvis är separata processer som kan skapa kostsam och underutnyttjad infrastruktur.

Nu har två miljöingenjörer från Stanford utvecklat ett beräkningsverktyg som heter AquaCharge som hjälper stadsvattenverk att titta på sina lokala förhållanden och förstå hur de kan kombinera dessa två vattenförsörjningsstrategier till en integrerad, effektivt och kostnadseffektivt system som fyller på akviferer.

Det här planeringsverktyget och hybridmetoden är så innovativa att American Society of Civil Engineers nyligen hedrade Jonathan Bradshaw, en doktorand i civil- och miljöteknik, och Richard Luthy, professor i byggnads- och miljöteknik, för att utveckla AquaCharge.

"Idéerna att återvinna avloppsvatten och fånga upp dagvatten är inte nya, ", sa Luthy. "Det som är nytt här är att tänka på hur man kan kombinera det som varit separata system till ett enda tillvägagångssätt för att ladda grundvatten."

Kostnad vs behov

Ingen av strategierna för att öka vattentillgången är utan nackdelar. Ett antal verktyg i Kalifornien samlar upp dagvatten, som nederbörden som öser nerför bergssidorna under den regniga årstiden, och kanalisera den till stora "spridningsbassänger, " som i huvudsak är läckande dammar som är tillräckligt porösa för att vatten ska kunna sippra tillbaka ner till en akvifer. Akviferer fungerar som naturliga lagringsbanker, hålla vatten för framtida bruk istället för att låta det skölja ut till havet.

Även om detta tillvägagångssätt är effektivt, spridningsbassänger kräver en stor mängd mark som ofta är underutnyttjad. Det beror på att ingenjörer vanligtvis designade bassängerna för att vara tillräckligt stora för att fånga upp och bearbeta stora volymer vatten under den stormiga säsongen. Som en konsekvens av denna design, bassängerna förblir i stort sett overksamma under de torra månaderna. Enligt vissa uppskattningar, Los Angeles spridningsbassänger suger i genomsnitt bara 12 procent av deras teoretiska årliga kapacitet. Alla stadsdelar har inte tillgång till mark som kan stå stilla så stor del av året.

Återvinning av avloppsvatten innebär en annan uppsättning utmaningar. Vissa verktyg behandlar avloppsvatten till den grad att det kan användas säkert för jordbruksbevattning eller vissa industriella ändamål, som att cirkulera genom kyltornen på ett kraftverk. Sådan användning minskar belastningen på akviferer eller andra vattenkällor.

Dock, bestämmelser kräver att detta återvunna vatten transporteras i en rörledning skild från dricksvattenledningar. Även om många städer har en stor potential att producera återvunnet vatten, den höga kostnaden för sådana separata rörsystem gör att endast en liten del av denna potential verkligen utvecklas. Så det mesta renade avloppsvattnet rinner tillbaka ut i havet, eller i floder och bäckar.

Ett hybridsystem

Med dessa avvägningar, regioner kan besluta att markkraven eller ledningskostnaderna driver dem mot det ena eller andra systemet. Dock, andra samhällen har utvecklat hybridmetoder som kombinerar de två strategierna.

Orange County, Kalifornien, som har blivit ledande inom grundvattenpåfyllning, renar sitt avloppsvatten så att det är rent nog att dricka – pumpar sedan detta högrenade återvunna vatten till spridningsbassänger för att ladda upp regionens underjordiska akvifer. Detta är analogt med dagvattenfångst i den meningen att vattnet sipprar tillbaka in i underjordiska lagringsbankar, förutom att vattenkällan är renat avloppsvatten snarare än regn eller snösmältning.

Inspirerad av ledare för vattenåteranvändning som Orange County, forskarna från Stanford skapade AquaCharge för att hjälpa andra lokala myndigheter att jämföra avvägningarna mellan olika konstruktioner för att hitta det mest kostnadseffektiva systemet i deras region.

Programvaran tittar på faktorer som tillgången på spridningsbassänger och dagvattenförsörjning, potentialen att producera återvunnet vatten och alternativ för att installera rörledningar för återvunnet vatten.

"Vår metod låter dig inte bara tänka på en ny typ av hybridvattenpåfyllningssystem, ", sa Bradshaw. "Det hjälper också till att avgöra vilken typ av system som kommer att uppfylla en stads mål till lägsta kostnad."

Luthy sa att AquaCharge kan förbättra användningen och återanvändningen av vatten avsevärt. Kalifornien, till exempel, återvinner för närvarande cirka 15 procent av sitt tillgängliga renade avloppsvatten. Statliga vattenplanerare skulle vilja fördubbla eller tredubbla det beloppet till 2030.

Genom att tillåta samhällen att göra komplexa beräkningar som avslöjar kostnader och fördelar med återanvändningsstrategier, Luthy säger, "AquaCharge kan hjälpa staten att nå det målet."