– een systeem voor vroegtijdige waarschuwing dat water en menselijke hulpbronnen spaart.
Klimaatverandering en een tekort aan geschoolde arbeidskrachten domineren de maatschappelijke agenda en ook de waterbedrijven worstelen met deze uitdagingen: water is kostbaar, meer dan ooit tijdens warme periodes. Lekken moeten dus snel worden gevonden en waterverliezen moeten worden beperkt. Netbewaking, lekdetectie en -herstel vereisen echter veel personeel. De mogelijkheden van geautomatiseerde lekdetectie bieden een uitweg uit dit dilemma.
De droge zomer van vorig jaar heeft de drinkwatervoorziening op veel plaatsen aan een echte stresstest onderworpen. Gemeenten en nutsbedrijven riepen op tot waterbesparing, onttrekkingsverboden en gebruiksbeperkingen waren aan de orde. Volgens veel studies zijn de sluipende effecten van de klimaatverandering op de beschikbare grondwatervoorraden al bewezen. Volgens het Federaal Milieuagentschap is meer dan 70 procent van het drinkwater in Duitsland afkomstig van grondwater. Dit maakt het des te belangrijker om de lektijden in het waterleidingnet tot het minimum te beperken. De meestgebruikte methode heeft echter vaak een hoge latentie tussen het optreden van een lek en de lekdetectie, en is ook zeer arbeidsintensief. Hierbij heeft de nutssector nog meer dan andere branches te kampen met een tekort aan geschoolde arbeidskrachten. Twee cijfers die dit illustreren: in de Vrijstaat Beieren zijn er slechts 60 stagiairs per 3.300 waterleidingbedrijven die in 2018 hun opleiding tot waterleidingmonteur hebben afgerond. ‘Ver onder de vraag’, vertelde Jörn-Helge Möller, directeur van de Beierse afdeling van de Duitse Vereniging van Gas- en Waterprofessionals, in het voorjaar aan de Beierse Omroep.
Esders biedt met Enigma3m een methode aan die de lekdetectie grotendeels automatiseert. Op basis van gekwalificeerde logger- en GIS-gegevens (Geografisch Informatiesysteem) worden lekgeluiden ’s nachts via cloud computing gecorreleerd. Het nutsbedrijf krijgt zo elke ochtend een betrouwbaar beeld van de situatie in het onderzochte netgedeelte en kan direct ingrijpen. Als de correlerende Enigma3m-ruisloggers proactief worden gebruikt voor het bewaken van kwetsbare netgedeelten, kunnen lekken vaak binnen 24 uur worden gelokaliseerd en verholpen. Zo bespaart de methode beide hulpbronnen: water en personeel. Bovendien heeft ze zich al vele malen in de praktijk bewezen, bijvoorbeeld in een wetenschappelijk begeleide piloottest met 33 Enigma3m-loggers bij IWB, het openbare energiebedrijf van het kanton Basel-Stadt in Zwitserland.
De gebruikelijke procedure voor lekdetectie bestaat meestal uit vijf stappen: na een eerste pre-locatie door middel van een contactmicrofoon wordt een tweede pre-locatie door middel van een ruislogger uitgevoerd, die de locatie van het lek verder afbakent. In de derde stap wordt de exacte locatie van de schade met een bovengrondse correlator nauwkeurig bepaald. Hierbij worden de op meerdere punten van het leidingnet opgenomen lekgeluiden met elkaar in verband gebracht (correlatie). Op basis van de tijdsverschillen waarmee het geluid de betreffende contactpunten bereikt, wordt de exacte lekpositie berekend. Nadat in een vierde stap door middel van een grondmicrofoon de locatie van het lek bevestigd is, kan de schade worden hersteld. Omdat in de buurt van leidingbreuken die het gevolg zijn van bodemheffingen en -dalingen, vaker kleinere lekkages voorkomen waarvan de lekgeluiden pas na reparatie van de grotere schade hoorbaar worden, wordt in de vijfde stap een uitgebreide nacontrole uitgevoerd. De meeste nutsbedrijven gaan hierbij op een ad-hoc basis te werk: als er een lek wordt vermoed, worden de ruisloggers geplaatst en na de opname weer ingezameld en uitgelezen. Aan personeelsuren vanaf het eerste vermoeden van een lekkage tot aan de bepaling van de lekpositie gaan nutsbedrijven gewoonlijk uit van 15 tot 20 uur. Steeds meer nutsbedrijven gaan echter over tot het routinematig permanent monitoren van risicogebieden door permanente loggersystemen. De loggergegevens worden dan periodiek verkregen door radiografisch uitlezen. Hiervoor moeten medewerkers regelmatig het bewaakte gebied met de auto afrijden (‘drive-by-oplossing’).
Net zoals hierboven beschreven vond ook de monitoring binnen het waterverliesmanagement van IWB in Bazel plaats. Het waterleidingnet van Bazel is geografisch verdeeld in vijf drukzones: in de zones twee tot en met vijf met ongeveer 80 kilometer leidingnet werden één keer per jaar ruisloggers geplaatst, die na de opnames weer met de hand werden ingezameld en vervolgens uitgelezen. In zone 1 met een nettraject van ongeveer 420 kilometer werden permanent loggers geïnstalleerd die elk kwartaal via ‘drive-by’ worden uitgelezen. ‘Dit betekent in het ergste geval, dus als een lek korte tijd na de periodieke controle ontstaat, lektijden vanaf het ontstaan van het lek tot aan de signalering door het waterleidingbedrijf, van maximaal drie maanden in zone 1 tot een jaar in de zones 2 tot en met 4’, zegt Michael Gauer, werkzaam als bedrijfsingenieur in het waterverliesmanagement van IWB. Voor zijn masterscriptie aan de school voor hoger beroepsonderwijs Noordwest-Zwitserland FHNW Muttenz, getiteld ‘Waterverliesbepaling en lekbewaking’, evalueerde Gauer in de zomer van 2018 de gevoeligheid van vier verschillende lekdetectiesystemen met overdracht van ruisgegevens op afstand. Hiervoor werden deels echte lekken gebruikt of werden lekken met verschillend volume bij ondergrondse brandkranen gesimuleerd. Daarnaast werd een lijst van criteria met 16 technische en bedrijfseconomische subcategorieën ontwikkeld voor de gestandaardiseerde evaluatie van de systemen.
Alle geëvalueerde apparaten verzenden de ruisgegevens die tijdens de nacht zijn opgenomen via mobiele communicatie. Bij twee systemen moet echter een onafhankelijk netwerk (GPRS) tussen de logger en de datatransmissie-eenheid worden opgezet en onderhouden. Hiervoor zijn bovengrondse installaties nodig, bijvoorbeeld op de voorgevels van huizen en straatlantaarns, die kostbaar zijn en helaas vaak het doelwit zijn van vandalisme. Bovendien moet de gehele communicatie-infrastructuur opnieuw worden geïnstalleerd als de loggers naar een ander bewakingsgebied worden verplaatst. De andere twee systemen, waaronder Enigma3m, hebben onafhankelijk toegang tot het mobiele netwerk en sturen de meetresultaten rechtstreeks vanuit de brandkraanput naar de server. Hierbij maakt de in de Enigma3m geplaatste roaming-simkaart automatisch verbinding met het mobiele netwerk met de beste dekking op de loggerlocatie, wat de betrouwbaarheid en effectiviteit van de monitoring nog verder vergroot. Bij de netbewaking van IWB bijvoorbeeld stonden vijf verschillende mobiele netwerken ter beschikking. De autonome mobiele communicatie maakt het hele systeem zeer mobiel. Het kan daardoor snel en met acceptabele inspanning naar een ander netgedeelte worden verplaatst.
Twee van de geteste systemen geven een alarm wanneer een kritisch geluidsniveau wordt overschreden. Ze werken echter alleen niveaugestuurd: het overschrijden van een voldoende/gedefinieerd geluidsniveau leidt tot een alarm, vervolgens correleert de gebruiker de ruisgegevens door het proces handmatig te activeren. Nadeel: in het geval van stille lekken, of het nu gaat om de grootte van het lek of om de afstand tot logger, wordt het kritische geluidsniveau niet bereikt en blijft het lek ‘onder de radar’. De andere twee systemen, waaronder Enigma3m van Esders, werken correlatiegestuurd: ze correleren het opgenomen geruis automatisch op een webserver. De Esders-server voegt niet alleen ruis- en correlatiegegevens samen. Voorafgaand aan de meting worden de gegevens van de leiding automatisch geïmporteerd uit het geografische informatiesysteem (GIS) van het nutsbedrijf. Vervolgens kan de server met de opgeslagen leidingschema’s en de informatie over materiaaleigenschappen, nominale diameters en diameters van leidingen werken. Latere constructieve wijzigingen kunnen eenvoudig digitaal worden aangevuld met de functie ‘leiding tekenen’ of via een update van het bijgewerkte GIS. Hoe nauwkeuriger en gedetailleerder het GIS is, hoe nauwkeuriger Enigma3m kan correleren. Storend geruis of toevallige pieken in het waterverbruik tijdens een meting corrigeert Enigma3m door correlatie van maximaal zeven nachten, met elk drie meetintervallen.
Systemen met automatische correlatie lieten de beste resultaten zien in het onderzoek. Ze lokaliseerden lekken door de ruisgegevens te correleren, met een nauwkeurigheid van één meter. De gemiddelde nauwkeurigheid van de puntcorrelaties van Enigma3m was met 0,39 centimeter voor de echte lekken zelfs ruim onder een halve meter. Ook correleert Enigma3m opgenomen ruisgegevens altijd onafhankelijk van het volume. In Bazel werden bijvoorbeeld ook kleine, gesimuleerde lekken gelokaliseerd, die een relatief laag geluidsniveau hadden.
Het onderzoeksontwerp van Michael Gauer maakt onderscheid tussen hoofd- en nevencriteria, met verschillende wegingen. De belangrijkste criteria waren de nauwkeurigheid van de correlaties, de correlatiefuncties, de interpreteerbaarheid van de correlatieresultaten en het lekdetectiepercentage van het betreffende systeem, d.w.z. hoeveel van de werkelijke en gesimuleerde lekken er werden gevonden door het systeem.
In de algemene evaluatie leverden de correlerende ruisloggers Enigma3m van Esders de beste resultaten. Doorslaggevend waren vooral de significant hogere lekdetectiepercentages van de Esders apparaten en de hoge nauwkeurigheid van de puntcorrelatie van gemiddeld 0,39 meter. Een andere meerwaarde is de intuïtief vormgegeven gebruikersinterface van het Enigma3m-webportaal voor het monitoren van druk, stroming en lekken in het waterleidingnet. ‘De webapplicatie reduceert het systeem tot de wezenlijke functies, wat het inwerken versnelt’, zegt Michael Gauer.
Opgravingen voor lekherstel konden in Bazel na een korte bevestiging met een mobiele correlator en grondmicrofoon worden gestart. Hierdoor reduceert Enigma3m de bovengenoemde vijfstappenprocedure dus tot de twee stappen geautomatiseerde correlatie en bepaling van de lekpositie ter plaatse, terwijl de nacontrole van de lekomgeving wordt gegarandeerd met permanente monitoring. In vergelijking met de bovengenoemde 16 tot 20 personeelsuren konden lekken aan het begin van de werkdag in korte tijd digitaal worden voorgelokaliseerd en doelgericht worden benaderd. De bevestiging ter plaatse door middel van de mobiele correlator en grondmicrofoon werd binnen 90 minuten verkregen, zodat de benodigde tijd voor de bepaling van de lekpositie maximaal drie uur bedroeg, afhankelijk van het traject.