Multi-criteria decision analysis for water supply infrastructure planning under uncertainty

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1 DISS. ETH NO Multi-criteria decision analysis for water supply infrastructure planning under uncertainty A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Lisa Scholten Dipl.-Ing. Wasserwirtschaft, Technische Universität Dresden born September 28, 1984 citizen of Germany accepted on the recommendation of Prof. Dr. Peter Reichert, examiner Dr. Judit Lienert, co-examiner Prof. Dr. Max Maurer, co-examiner Prof. Dr. Alec Morton, co-examiner 2013

2 SUMMARY [iii Summary Our centralized water supply systems are aging. Despite their success in reliably providing high quality drinking water, nowadays especially small utilities (e.g. less than inhabitants supplied) are illprepared to face possible future challenges. The fragmented structure of the water supply sector leads to a lack of institutional, financial and personnel resources for professional management and planning of water supply systems. Current planning is furthermore challenged by insufficient knowledge and data about the prevailing water infrastructure condition and future rehabilitation demand. It usually ignores future dynamics and planning uncertainties, as well as alternatives to the perpetuation of the status quo. Infrastructure decision making is usually not transparent and only few stakeholders are included into the decision process. This thesis presents an approach to overcome these shortcomings and support long-term water supply infrastructure planning under uncertainty in a multi-stakeholder context. Thereto, methods from multicriteria decision analysis (MCDA), strategic asset management (SAM), pipe failure modeling, and scenario planning were combined, adapted, and further developed. The suitability of the approach was validated in a case study in Switzerland. To improve the prediction of pipe service life in view of data scarcity, it was shown how the knowledge of experts can be quantitatively assessed and integrated into the calibration of pipe survival models by means of Bayesian inference. Similarly, knowledge gained from three mid-size to large Swiss water networks was used to improve calibration of a novel pipe failure model. It is demonstrated that this failure model is able to deal with the common data situation, and mitigate overestimation of the time to failure caused by the absence of data from already replaced pipes. The failure model was combined with a rehabilitation model to assess the performance of 18 rehabilitation strategies under four future scenarios for a small water utility. MCDA was used to compare these alternatives under different preferences concerning three objectives. The analysis revealed that the common strategy, purely reactive rehabilitation, is not recommendable in most cases and that annual replacement of 1 2 % of the network by condition might be a good strategy for the utility in question. These findings were considered during the definition of alternatives for a second MCDA study aiming at identifying good water supply infrastructure alternatives. Eleven alternatives and an objectives hierarchy consisting of 44 fundamental objectives and 30 attributes were developed together with stakeholders. The alternatives differ not only with regard to rehabilitation management, but also technical, managerial, and organizational aspects. The outcomes of all alternatives regarding these attributes were predicted under four future scenarios to account for uncertainties about the future development. The approach for the elicitation and modeling of preferences includes the imprecision of the stated preferences as well as uncertainties of preference parameters which were not elicited (the aggregation model, marginal value functions, risk attitude, and scaling factors). Preferences of ten selected stakeholders were then elicited and probability distributions of the ranking of alternatives based on these preferences were obtained. Despite differences in the individual rankings, a potential compromise solution could be proposed and ways for potential adaptation and improvement of other alternatives be indicated. In general, alternatives with good outcomes regarding groundwater protection, water quality, supply reliability, and realization of the rehabilitation demand received the highest ranks, as these were also among the most important objectives for the majority of the stakeholders. As operation and management do considerably contribute to the performance regarding the latter three objectives, the importance of a thorough infrastructure and

3 iv] SUMMARY rehabilitation management cannot be neglected. In view of the possible ranges of the outcomes, the objectives of high social acceptance (e.g. disturbance by unnecessary road works, resources autonomy), and to some extent also low costs were judged less important. Multi-criteria decision analysis proved useful to support the long-term planning of water infrastructures under uncertainty and in a multi-stakeholder framework. The usual extrapolation of the status quo was overcome. Future dynamics and uncertainties could be incorporated by combining decision making and modeling with scenario planning, besides the quantitative consideration of uncertainties in making predictions, and evaluating the results. With the presented approaches for the modeling of pipe failures and rehabilitation, the methods and tools for the assessment of the current condition and future rehabilitation demand of small water networks despite a difficult data situation are now available.

4 ZUSAMMENFASSUNG [v Zusammenfassung Unsere zentralen Wasserversorgungssysteme altern. Trotz ihres Erfolgs im Hinblick auf eine zuverlässige Versorgung mit Trinkwasser hoher Qualität, sind heute vor allem kleine Wasserversorgungen (weniger als versorgte Einwohner) schlecht auf mögliche zukünftige Herausforderungen vorbereitet. Die fragmentierte Struktur des Wasserversorgungssektors führt zu einem Mangel institutioneller, finanzieller und personeller Ressourcen für ein professionelles Management und die langfristige Planung der Wasserversorgung. Die derzeitige Planung steht weiterhin vor der Herausforderung mangelnden Wissens und Daten sowohl über den Zustand, als auch den zukünftigen Erneuerungsbedarf der Infrastrukturen. Üblicherweise werden weder Planungsunsicherheiten oder die zukünftige Dynamik, noch Alternativen zur Fortführung des Status quo berücksichtigt. Die Entscheidungsfindung in Infrastrukturprojekten ist häufig intransparent und nur wenige Interessensgruppen sind an dem Entscheidungsprozess beteiligt. Diese Dissertation präsentiert eine Herangehensweise zur Überwindung dieser Defizite und zur Unterstützung von Entscheidungsprozessen in der langfristigen Wasserinfrastrukturplanung unter Miteinbeziehung verschiedener Akteure und unter Berücksichtigung von Unsicherheiten. Dazu werden Methoden der multi-kriteriellen Entscheidungsanalyse (MCDA), des strategischen Asset-Managements (SAM) und der Schadensmodellierung von Wasserleitungen kombiniert, angepasst und weiterentwickelt. Die Validierung erfolgte in einer Fallstudie in der Schweiz. Zur Verbesserung der Nutzungsdauerprognose von Wasserleitungen vor dem Hintergrund mangelnder Daten wird veranschaulicht, wie Expertenwissen quantitativ erhoben und in die Kalibrierung von Überlebensmodellen mittels Bayesscher Inferenz einbezogen werden kann. Auf ähnliche Weise werden Erkenntnisse, die basierend auf drei mittelgrossen bis grossen Wassernetzen gewonnen wurden, für die Verbesserung der Kalibrierung eines neuartigen Leitungsausfallmodells verwendet. Es wird gezeigt, dass dieses Modell in der Lage ist, mit der allgemeinen Datensituation umzugehen und die durch fehlende Daten bereits ersetzter Leitungen hervorgerufene Überschätzung der Zeit zu einem Schaden zu verringern. Durch Kombination dieses Modells mit einem Rehabilitationsmodell wurde die Leistung von 18 Rehabilitationsstrategien unter vier Zukunftsszenarien für eine kleine Wasserversorgung ermittelt. Für den Vergleich dieser Alternativen anhand der Präferenzen für drei Ziele wird die MCDA vorgestellt und angewandt. Die Analyse zeigte, dass der verbreitete, rein reaktive Ersatz von Wasserleitungen in den meisten Fällen nicht zu empfehlen ist und dass ein zustandsbedingter jährlicher Ersatz von 1 2 % des Netzes eine gute Strategie für das betroffene Wasserversorgungsunternehmen darstellt. Diese Erkenntnisse flossen in die Definition von Alternativen in einer zweiten MCDA-Studie ein, die zum Ziel hatte, Optionen für eine gute Wasserversorgungsinfrastruktur zu identifizieren und einen robusten Umgang mit Unsicherheiten aufzuzeigen. Elf Alternativen und eine aus 44 Zielen und 30 Attributen bestehende Zielhierarchie wurden hierfür gemeinsam mit Interessensvertretern entwickelt. Die Alternativen unterscheiden sich nicht nur im Hinblick auf Eigenschaften wie das Rehabilitationsmanagement, sondern auch technische, betriebliche und organisatorische Aspekte, die mitunter sehr verschieden zum heutigen System sind. Um Unsicherheiten über die zukünftige Entwicklung zu berücksichtigen, wurde die Leistung der Alternativen im Sinne der Szenarienplanung unter vier (ebenfalls mit Akteuren entwickelten) Szenarien vorhergesagt. Der Ansatz zur Erhebung und Modellierung der Präferenzen berücksichtigt sowohl die Ungenauigkeit der Präferenzangaben, als auch Unsicherheiten von Präferenzparametern, die nicht erhoben wurden (das Aggregationsmodel, die marginalen Wertefunktionen, die Risikoeinstellung und die Skalierungsfaktoren). Von zehn ausgewählten

5 vi] ZUSAMMENFASSUNG Interessensvertretern wurden ungenaue Präferenzen erhoben und anhand dieser Präferenzen Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Rangierung der Alternativen generiert. Trotz individueller Unterschiede konnten eine potenzielle Kompromisslösung vorgeschlagen und Wege für die Anpassung und Verbesserung von Alternativen aufgezeigt werden. Insgesamt schnitten Alternativen mit guten Ergebnissen bezüglich Grundwasserschutz, Wasserqualität, Zuverlässigkeit der Versorgung und Umsetzung des Rehabilitationsbedarfs am besten ab, da diese Ziele von der Mehrheit der Akteure als sehr wichtig eingeschätzt wurden. Da der Betrieb und Unterhalt die Leistung bezüglich der letzten drei Ziele massgeblich beeinflussen, ist die Bedeutung eines sorgfältigen Infrastruktur- und Rehabilitationsmanagements nicht zu vernachlässigen. Im Hinblick auf die möglichen Ausprägungen der Ergebnisse waren die Ziele hohe soziale Akzeptanz (z.b. Störung durch unnötige Strassenarbeiten, Ressourcenautonomie) und teilweise auch niedrige Kosten weniger relevant. Die MCDA stellte sich als nützlich für die langfristige Wasserinfrastrukturplanung unter Unsicherheit und Miteinbeziehung verschiedener Akteure und Präferenzen heraus. Die übliche Extrapolation des Status quo wurde überwunden. Mittels der Kombination von MCDA und Szenarienplanung, sowie der quantitativen Berücksichtigung von Unsicherheiten beim Aufstellen von Prognosen und Evaluieren der Resultate konnten Unsicherheiten unterschiedlicher Quellen berücksichtigt werden. Mittels der vorgestellten Herangehensweisen für die Schadens- und Rehabilitationsmodellierung sind nun Methoden und Werkzeuge vorhanden, mittels derer der aktuelle Zustand und der zukünftige Rehabilitationsbedarf kleiner Wasserversorgungen trotz schwieriger Datenlage bestimmt werden können.