Probabilistic modeling and optimization of leakages in water distribution networks

Abstract

We develop an integrated framework for resilient reduction of leakages in water distribution networks (WDNs), which combines: a) a set of probabilistic approaches for minimum night flow (MNF) estimation and parametric modeling of water losses in WDNs, and b) a combination of statistical clustering and hydraulic modeling techniques for WDN partitioning into pressure management areas (PMAs; or districted metered areas, DMAs). The strong point of the proposed probabilistic methods is that they allow for confidence interval estimation of both observed and parametrized MNFs, while taking into account the effect of operational pressures on leakages. The statistically rigorous and user unbiased clustering approach produces realistic PMA (or DMA) configurations, allowing water experts and engineers to develop effective strategies for management and reduction of leakages, based on a fast and easy to implement algorithmic procedure. The efficiency of the developed framework is tested in the water distribution network of the City of Patras in western Greece, which serves approximately 213 000 consumers, consists of more than 700 km of pipeline grid (mainly HDPE and PVC pipes), and includes 86 pressure management areas (PMAs) equipped with automated local stations for water flow rates monitoring and pressure regulation.

Αναπτύσσουμε ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για τη μείωση των διαρροών στα δίκτυα ύδρευσης, το οποίο συνδυάζει: α) ένα σύνολο πιθανοτικών προσεγγίσεων για την εκτίμηση της ελάχιστης νυχτερινής ροής και την παραμετρική μοντελοποίηση των απωλειών νερού, και β) έναν συνδυασμό στατιστικών τεχνικών ομαδοποίησης και υδραυλικής μοντελοποίησης για τον διαχωρισμό των δικτύων ύδρευσης σε επιμέρους ζώνες διαχείρισης πίεσης (PMAs ή DMAs). Το πλεονέκτημα των προτεινόμενων πιθανοτικών μεθόδων είναι ότι επιτρέπουν την εκτίμηση διαστημάτων εμπιστοσύνης τόσο των παρατηρούμενων όσο και των παραμετροποιημένων ελάχιστων νυχτεριών ροών, λαμβάνοντας παράλληλα υπόψη την επίδραση της πίεσης λειτουργίας στις διαρροές. Η στατιστικώς αμερόληπτη από τον χρήστη προσέγγιση ομαδοποίησης (ζωνοποίηση) οδηγεί σε ρεαλιστικά πραγματοποιήσιμα αποτελέσματα, επιτρέποντας στους μηχανικούς και σε άλλους εμπλεκόμενους στον τομέα των υδάτων να αναπτύξουν αποτελεσματικές στρατηγικές για τη διαχείριση και τη μείωση των διαρροών, με βάση μια γρήγορη και εύκολη στην εφαρμογή αλγοριθμική διαδικασία. Η αποτελεσματικότητα του πλαισίου που αναπτύχθηκε εκτιμάται μέσω της εφαρμογής του στο δίκτυο ύδρευσης της πόλης της Πάτρας στη δυτική Ελλάδα, το οποίο εξυπηρετεί περίπου 213 000 καταναλωτές, αποτελείται από περισσότερα από 700 χιλιόμετρα δικτύου αγωγών (κυρίως σωλήνες HDPE και PVC) και περιλαμβάνει 86 περιοχές διαχείρισης πίεσης (ζώνες) εξοπλισμένες με αυτοματοποιημένους τοπικούς σταθμούς για την παρακολούθηση των παροχών νερού και τη ρύθμιση της πίεσης.