Ingeniører hjælper med vand under broen og andre svære miljøbeslutninger

I to nye aviser, civilingeniører udforsker, hvordan man træffer beslutninger ved hjælp af kvantificerbare sociale, økonomiske og miljømæssige retningslinjer.

Det kaldes en bæredygtighedsbaseret optimeret algoritme. Det er designet til at hjælpe jordforvaltere, byplanlæggere, ingeniører og politiske beslutningstagere træffer beslutninger om anlægsprojekter. Ny bro? Gammel bro, der trænger til ny reparation? Hvad med skolens tag eller havnefronten? Ethvert projekt har økonomiske, miljømæssige og sociale faktorer at overveje.

"Det er datadrevet beslutningstagning - det hjælper os med at sætte tal på forskellige aspekter af et projekt, så vi i fællesskab kan træffe mere informerede beslutninger, " sagde Brian Barkdoll, professor i civil- og miljøteknik ved Michigan Technological University. "Vi kan skændes om, hvordan man sætter et tal til det, men der er måder, og når der først er et nummer, det kan sammenlignes. Det handler om gennemsigtighed i beslutninger.«

Barkdoll arbejdede med Hossein Tavakoli, Ph.D. kandidat i civil- og miljøteknik ved Michigan Tech, at opstille en bæredygtighedsbaseret optimeringsalgoritme. Algoritmen og et algebaseret biobrændstof-casestudie er fokus i deres papir offentliggjort i International Journal of Environmental Science and Technology .

"Det kommer ned til, at vi skal passe på, " sagde Barkdoll, og tilføjer, at hans team i en anden artikel - udgivet i River Research and Applications - dykkede dybt ned i et bestemt eksempel, hvor beslutningstagningen er svær:stigning i havniveauet. "Vi ved, at kystbyer er i fare for oversvømmelser, og det er også overraskende, hvordan det påvirker floder og broer opstrøms."

Fra energi til vand til mad, anlægsprojekter har stor indflydelse på naturressourcerne. Barkdoll håber, at ingeniører kan tage udfordringen op for at hjælpe med at gøre beslutninger klarere, hvis ikke nemmere:"Ingeniører og forskere får information og kommer med forslag. Vi træffer ikke beslutningerne, men hvis vi kan præsentere ideer, der hjælper beslutningstagere med at træffe bedre beslutninger, så skal vi gøre det."

Algoritmisk bæredygtighed

Til Barkdoll, det sværeste er ikke tallene, selvom han siger, at der er masser af nuancer og plads til forbedringer. I stedet, udfordringen er et grundlæggende skift i den måde, ingeniører betragter projekter på.

Typisk, sikkerhed og omkostninger er de højeste prioriteter for anlægsprojekter. Det, Barkdoll væver ind i den bæredygtighedsbaserede optimeringsalgoritme, er at overveje omkostningerne ved et projekt over en levetid.

"Som ingeniører vi tilbyder en række muligheder, og vi kan stadig tilbyde, hvad folk tror, ​​de ønsker – den billigste og sikreste løsning – og præsenterer alternativer, der ser på ikke kun de oprindelige omkostninger, men et projekts omkostninger i løbet af dets levetid og de omkostninger, der er eksternaliseret, " sagde Barkdoll.

Et almindeligt eksempel, han peger på, er parkeringspladser:Det virker nemt at dække en plads og lade den være, men efter at have taget højde for vedligeholdelsesomkostninger, risiko for afstrømning og oversvømmelse, kulstofemissioner, så ser standard tagrenderne og asfalten mindre tiltalende ud i forhold til at lægge i en regnhave, infiltrationsgrave og bioretentionsdamme.

Ideen er overbevisende, og som ingeniør ønskede Barkdoll at sikre, at algoritmen faktisk fungerede. Så han og Tavakoli så nøje på biobrændstoffer lavet af alger.

Casestudie:Alger Biobrændstoffer

Ved at bruge en bæredygtighedsbaseret optimeringsalgoritme, nøglen er at se på hele livscyklussen af ​​et projekt eller en proces i form af teknisk, miljømæssige og sociale faktorer.

"Resultaterne af denne algoritme viser, hvordan det at overveje alle aspekter af bæredygtighed sammen ikke nødvendigvis er det samme som en beslutning, der er truffet baseret på nogen af ​​disse tre kriterier individuelt, " sagde Tavakoli. "F.eks. hvis undersøgelsen er i en region med vandknaphed, vandforbruget kan anses for at være den vigtigste faktor. Eller, hvis undersøgelsen er i en region med høj luftforurening, emissionerne af luftforurenende stoffer kunne betragtes som vigtigere."

I tilfælde af algebiobrændstoffer, det bedste svar varierer baseret på placering, kilde til alger, økonomi og mange andre vægtede faktorer. At komme til en beslutning ved hjælp af algoritmen er den civilingeniørmæssige ækvivalent til personlig medicin – ligesom en persons genetik, vaner og medicin gør en forskel, det samme gør nuancerne i et energiprojekt.

Casestudie:Broer og havniveaustigning

Opskalering fra et enkelt projekt, Bæredygtighedsbaserede optimeringsalgoritmer kan hjælpe beslutningstagere med at nedbryde kompleksiteten af ​​onde problemer som klimaændringer.

I deres artikel om flodforskning og applikationer, Barkdolls team fokuserer på den tekniske side af havniveaustigningen. Udover kystpåvirkninger, floder og vandløb ville også flyde med stigende hav. Især som holdet fandt, dette påvirker hvor meget sediment floder bærer, som påvirker fiskeriet, oversvømmelseskontrol, bankerosion og broskuring. Oceaner stiger, floder fyldes op, og nedadgående sus aftager - så mindre sediment kan bevæge sig nedstrøms.

Selvom dette kan være nyttigt i nogle tilfælde, såsom at håndtere mindre sediment, der opbygges mod dæmninger, ændringerne kan også gøre nogle processer uforudsigelige. Brosøgning er vigtig, og fyldigere floder fra stigende have kan skrabe baserne af allerede svækket infrastruktur væk.

"Det er her beslutningstagning betyder noget, " sagde Barkdoll. "Disse to papirer kan hjælpe med at bruge en bredere beslutningsproces til at træffe beslutninger om vandskel, floder, hvad vi bygger på dem og hvad vi ikke gør, om vi har brug for højere diger eller ej."

Det er en proces, der kan anvendes endnu bredere. Barkdolls fremtidige undersøgelser ser på at analysere andre civilingeniør- og miljømæssige udfordringer som vandbehandling, vanddistribution og vandlagring ved hjælp af bæredygtighedsbaserede optimeringsalgoritmer. I sidste ende, dataene er store, virkningen er stor, beslutningerne er monumentale - og Barkdoll vil have ingeniører til at hjælpe.