Decision Support Algorithms for Sectorization of Water Distribution Networks

Abstract

Many water utilities, especially ones in developing countries, continue to operate low efficient water distribution networks (WDNs) and are consequently faced with significant amount of water (e.g. leakage) and revenue losses (i.e. non-revenue water – NRW). First step in reducing the NRW is assessment of water balance in WDN aimed to establish the baseline level of water losses. Then, water utilities can plan NRW reduction activities according to this baseline. Sectorization of WDN into District Metered Areas (DMAs) is the most cost-effective strategy used for active leakage (i.e. water loss) control, achieved by monitoring the flow data on DMAs’ boundaries. Sectorization of WDN has to be designed carefully, as required network interventions can endanger network’s water supply and pressure distribution. In this thesis new methods and algorithms, aimed to support making more effective and objective decisions regarding the WDN sectorization procedure, are presented, tested and validated. Presented methods and algorithms are part of proposed decision support methodology compensating for disadvantages in available methods, valuable to practicing engineers commencing implementation of sectorization strategy in WDN. Main sectorization objective adopted in methodology presented in this thesis is to design layout of DMAs that will allow efficient tracking of water balance in the network. Least investment for field implementation and maintaining the same level of WDN’s operational efficiency are adopted as main design criteria. New sectorization algorithm, named DeNSE (Distribution Network SEctorization), is developed and presented, adopting above-named objective and design criteria. DeNSE algorithm utilizes newly developed uniformity index which drives the sectorization process and identifies clusters. New engineering heuristic is developed and used for placing the flow-meters and isolation valves on clusters’ boundary edges, making them DMAs. Post sectorization operational efficiency of WDN is evaluated using adopted performance indicators (PIs). Top-down approach to hierarchical sectorization of WDN, particulary convenient for water utilities constrained with limited funding and insufficient reliable input data, is also implemented in DeNSE algorithm. New method for hydraulic simulation, named TRIBAL-DQ is developed to address the issue of low computational efficiency, recognized in available sectorization methodologies employing optimization. TRIBAL-DQ is a loop-flow based method which combines the novel TRIangulation Based ALgorithm (TRIBAL) for loop identification with efficient implementation of the loop-flow hydraulic solver (DQ). TRIBAL-DQ method is tested on various networks of different complexities and topologies. This thesis reports only results of testing on literature benchmark networks, used to validate methods’ performance. TRIBAL-DQ method based hydraulic solver is compared to the node based solver implemented in EPANET, most prominent software for hydraulic calculation of WDN. New TRIBAL-DQ solver showed significant dominance in computational efficiency, with stable numerical performance and same level of prediction accuracy. DeNSE algorithm is benchmarked against other available sectorization methodologies on real-sized WDN. Obtained results demonstrate the ability of DeNSE algorithm to identify good set of feasible solutions, without worsening operational status of the WDN compared to its baseline condition. Reported computational efficiency of the algorithm is one of its strong points, as it allows generation of feasible solutions for large WDN in reasonable time. In this field, algorithm particularly outperforms methods employing multi-objective optimization (e.g. minutes compared to hours).

Комунална предузећа која управљају водоводним системима, нарочита она у земљама у развоју, суочена су са проблемима дотрајале и лоше одржаване дистрибутивне мрже који за последицу имају значајне количине воде која се губи у дистрибуцији. Први корак ка смањењу губитака у водоводном систему је процена водног биланса у дистрибутивној мрежи како би се утврдило почетно стање система, а затим и приступило планирању и предузимању мера за смањење губитака како би се то стање поправило. Најисплативија, и опште прихваћена, стратегија за остваривање овог циља је подела дистрибутивне мреже, односно њена секторизација, на тзв. основне зоне билансирања (ОЗБ). ОЗБ се у мрежи успостављају јасним дефинисањем њихових граница, на којима се инсталирају изолациони затварачи и мерачи протока. Избор ОЗБ није једнозначан, и приликом њиховог дефинисања мора се водити рачуна о планираним интервенцијама у мрежи које могу имати негативан утицај на водоснабдевање потрошача и распоред притисака у мрежи. У овој дисератацији су приказане и тестиране нове методе и алгоритми намењени за подршку одлучивању приликом секторизације водоводне дистрибутивне мреже на ОЗБ. Презентоване методе и алгоритми надомешћују недостатке постојећих метода и могу бити од користи инжењерима који се у пракси баве задатком секторизације дистрибутивних мрежа. Основни циљ методологије за секторизацију приказане у овој дисертацији је дефинисање распореда ОЗБ који ће омогућити ефикасно праћење водног биланса у дистрибутивној мрежи. Основни критеријуми за вредновање и избор оптималног решења су минимална улагања у неопходне интервенције у мрежи и очување поузданости система. У дисертацији је приказан нови алгоритам за секторизацију водоводне мреже, назван DeNSE (Distribution Network SEctorization), заснован на претходно наведеном основном циљу и критеријумима. Секторизација применом DeNSE алгоритма је базирана на употреби новог индекса униформности мреже, који омогућава идентификацију зона у мрежи уједначених према потрошњи. За дефинисање ОЗБ, на границе претходно идентификованих зона потребно је поставити мераче протока и изолационе затвараче. За ове потребе развијена је и приказана методлогија засновна на практичним инжењерским принципима. За процену поузданости система након секторизације коришћени су усвојени индикатори перформанси (PIs – Performance Indicators). Предвиђена је и могућност за хијерархијску секторизацију дистрибутивне мреже, нарочито привлачна за комунална предузећа која располажу ограниченим финансијским средствима и имају потребу да процес секторизације изведу у неколико фаза. Услед проблема са значајним рачунарским временом који имају постојеће методе за секторизацију које користе оптимизацију, у оквиру истраживања је развијен и нови метод за хидраулички прорачун мрежа под притиском, назван TRIBAL-DQ. TRIBAL-DQ метод је заснован на примени новог алгоритма за идентификацију прстенова у мрежи базираног на триангулацији (TRIBAL – TRIangulation Based ALgorithm) и ефикасној имплементацији нумеричког модела хидрауличког прорачуна базираног на методи прстенова (DQ). TRIBAL-DQ метод је тестиран на бројним дистрибутивним мрежама различите сложености. У овој дисертацији су приказани само резултати добијени применом на тест-мрежама познатим из литературе, како би се потврдила њихова ваљаност. TRIBAL-DQ метод је упоређен са методом коју користи најпознатији софтвер за хидраулички прорачун мрежа под притиском – EPANET. Резултати приказују значајну предност новог метода у погледу рачунарске ефикаснонсти, уз очување нумеричке стабилности и тачности решења хидрауличког прорачуна. DeNSE алгоритам је упоређен са постојећим методама за секторизацију дистрибутивних мрежа. Резултати потврђују да је нови алгоритам у стању да идентификује скуп могућих решења, која не угрожавају поузданост система и снабдевање потрошача. Рачунарска ефикаснонст DeNSE алгоритма је једна од његових најзначајнијих предности јер омогућава идентификацију не једног, већ скупа могућих решења за реалне дистрибутивне мреже у релативно кратком рачунарском времену. Ова чињеница посебно долази до изражаја када се рачунарско време DeNSE алгоритма упореди са рачунарским временом метода које користе оптимизационе алгоритме (минути у поређењу са сатима).