Sensor-based sustainable management of urban water distribution networks utilizing survival analysis modeling

Abstract

Η μείωση του διαθέσιμου πόσιμου νερού λόγω τόσο των κλιματικών αλλαγών όσο και των απωλειών από βλάβες στα μεγάλα σε ηλικία αστικά δίκτυα υδροδότησης (ΔΥ), ανάγκασαν τις διαχειριστικές αρχές να επανεξετάσουν τις πολιτικές τους ως προς το πολύτιμο αυτό αγαθό. Η Κύπρος, όπως και οι περισσότερες χώρες της Μέσης Ανατολής, αντιμετωπίζει σοβαρό πρόβλημα έλλειψης νερού που απορρέει από τα περιορισμένα αποθέματα υδάτων, τις παρατεταμένες περιόδους ξηρασίας και από τις απώλειες νερού στα ΔΥ. Επιπλέον, η πολιτική των περικοπών στην παροχή νερού που εφαρμόζεται στην Κύπρο όταν βιώνονται παρατεταμένες περίοδοι ξηρασίας, έχει επιβαρύνει περαιτέρω τα ΔΥ προκαλώντας τους επιπρόσθετη φθορά. Η αποτελεσματική λειτουργία ΔΥ και διαχείριση των κινδύνων αστοχίας, οι στρατηγικές επισκευής ή αντικατάστασης, η διαχείριση των απωλειών νερού και η βιωσιμότητα των ΔΥ έχουν αποκτήσει ιδιαίτερη σημασία και προτεραιότητα για πολλούς οργανισμούς διαχείρισης ύδατος. Δεδομένου ότι η διαχείριση των ΔΥ είναι ένα πολυδιάστατο έργο, η περιστασιακή αποκατάσταση των ζημιών σε αυτά και η τυχαία και μερική αναβάθμιση τους δεν αποτελούν ορθές τακτικές για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που σχετίζονται με ΔΥ. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας ολιστικής προσέγγισης και ενός συστήματος υποστήριξης αποφάσεων για την αειφόρο διαχείριση των ΔΥ, αποτελούμενα από: (1) αυτόνομο ασύρματο σύστημα για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της λειτουργίας ΔΥ, (2) μαθηματικό μοντέλο για την ανάλυση του ιστορικού απόδοσης και την εκτίμηση του βαθμού κινδύνου αστοχίας σε ΔΥ, και (3) χωρο-χρονική απεικόνιση των αναλύσεων. Περαιτέρω, η διατριβή διερευνά την απόδοση ενός ΔΥ υπό κανονικές και υπό ειδικές συνθήκες, συνδέοντας τα αποτελέσματα της εφαρμογής των περικοπών με την απόδοση ενός ΔΥ και τις απώλειες νερού σε αυτό, χρησιμοποιώντας το ΔΥ της Λευκωσίας ως μελέτη περίπτωσης. Η διατριβή (1) εξετάζει και επιβεβαιώνει τη σημασία προηγούμενων ιστορικών επιδόσεων του ΔΥ, τις συνθήκες λειτουργίας, την κατάσταση του δικτύου και τον αριθμό και τη συχνότητα των διαρροών νερού κατά την περίοδο των περικοπών, (2) αναπτύσσει μαθηματικά μοντέλα για τα ποσοστά ευπάθειας των διαφόρων συνιστωσών των ΔΥ (κεντρικοί αγωγοί, παροχές, κλπ.), (3) δοκιμάζει πειραματικά την αποτελεσματικότητα διαφόρων αισθητήρων εντοπισμού διαρροών, (4) επινοεί μια βέλτιστη στρατηγική για την τοποθέτηση των διαφόρων αισθητήρων για την ανίχνευση διαρροών νερού, (5) διερευνά χώρο-χρονική ομαδοποίηση και (6) προτείνει κατευθυντήριες γραμμές για την αποτελεσματική και βιώσιμη διαχείριση των ΔΥ. Τα σημαντικότερα ευρήματα της διατριβής και της μελέτης περίπτωσης είναι τα ακόλουθα: (1) τα περιστατικά βλάβης & απωλειών νερού που σχετίζονται με τις παροχές, κυριαρχούν στο σύνολο δεδομένων που μελετήθηκαν, (2) η εποχικότητα επηρεάζει την κατανομή των περιστατικών διαρροής (τα περιστατικά διαρροής αυξάνονται κατά τη καλοκαιρινή περίοδο), (3) η χρήση της ανάλυσης επιβίωσης καταδεικνύει ότι οι κεντρικοί αγωγοί είναι πιο ευάλωτοι με την πάροδο του χρόνου και έχουν αρνητικότερη επίδραση στη συνολική κατάσταση του ΔΥ σε σύγκριση με τις σωλήνες των παροχών, (4) η πολιτική των περικοπών στη παροχή νερού είναι καταλληλότερη για τη διαχείριση των αποθεμάτων νερού και όχι για την εξοικονόμηση νερού (η μαθηματική ανάλυση του συνόλου των δεδομένων για τη συγκεκριμένη χρονική περίοδο καταδεικνύει μια αρνητική επίδραση των περικοπών ως προς τη γενική κατάσταση των αγωγών του δικτύου).

WDN management is a multi-factored task, the occasional repair of the damages in a WDN or its random partial upgrade are far from being good tactics to tackle the problems arising from this. Thus, the tasks of risk and waterloss management, efficient O&M `repair or replace' strategies, and sustainability have gained increasing importance and are of pressing urgency to many water agencies. The aim of this thesis was the development of a holistic approach and decision support system (DSS) for the sustainable management of WDNs, encompassing the following three components: (1) an autonomous wireless system for real-time monitoring; (2) a mathematical model for the analysis of a WDN's historical performance and for the estimation of risk-of-failure metrics; and (3) a spatio-temporal analysis tool for depicting such metrics. Further, the thesis investigates the performance of a WDN under both normal and abnormal operating conditions, linking the effects of IWS to a WDN's performance and to water losses, utilizing a real-life urban WDN (Nicosia, Cyprus) as a case study. In summary, the thesis (1) demonstrates the effects of past historical performance, operating conditions, network condition, and IWS on the number and frequency of water leaks; (2) devises mathematical models for the vulnerability of various WDN components (water mains, house connections, etc.); (3) experimentally tests the efficiency of sensing technologies in detecting water leaks; (4) devises an optimal sensor placement strategy for the detection of water leaks; (5) investigates spatio-temporal clustering; and (6) proposes a set of good-practice guidelines for the sustainable management of WDNs. The most significant findings of this thesis and its case-study network are, in summary, the following: (1) breakage/waterloss incidents related to house connections (HC) dominate the dataset studied; (2) seasonality affects the distribution of the leakage incidents (the time-series distribution of waterloss incidents is increasing as the summer approaches, and decreasing towards the end of the year); (3) the use of survival analysis on the studied dataset shows that the water mains (WM) are more vulnerable over time and that they have a more negative effect on the overall WDN condition compared to HC pipes (partly because, for the WM pipes the proportion of pipe replacements is higher than that for pipe repairs); (4) IWS policies are more suitable for water management rather than water saving (the mathematical analysis of the IWS dataset shows a negative effect of IWS on the overall condition of the network pipes).