Forming District Metered Areas in a Water Distribution Network Using Genetic Algorithms

AbstractDividing a water distribution network into District Metered Areas (DMAs) is the first vital step towards water loss management. It is a multivariate problem. Techniques based on Genetic Algorithms is a proven way to provide a very good solution to optimization problems. Basic requirement is that each problem must be well described by an objective function. The formation of the objective function is tested through Matlab's optimization tools. The results of the genetic algorithm are compared to the results of an algorithm (in C++ Language) developed in an earlier stage to provide optimal system pressure reduction by closing indicated pipes. The process for the formation of the objective function and a case study on a real network are presented

Water distribution netwroks management on the axis of quantity, quality and energy.

Water is considered one of the most important components of our life. Its quantity and quality determine our health and lives. Hydraulic power has helped humanity advance loads of times in the past and remains a very important factor of our development. Studying water has been proved essential over the years as it always brings results that help us improve our understanding of its power and its management. We have reached a point where we, as a nation, exploit this resource without taking interest in the fact that it is not limitless. Instead of overusing it measures should be taken in order to ensure the protection of water sources. The networks created to supply, transmit and distribute water are the basic ‘consumers’ of drinkable water and their importance is vital for people. So far, network management, which, indirectly, means the management of the natural source, approached the matter partially, focusing mostly on fixing current issues that appeared over time and involved either its quality or its quantity; not both.Subject of this Doctoral Thesis is the studying of water supply networks as fully as possible, covering the same research topic from three different angles; the quantity one, the quality one and that of energy. The analysis of the theoretical and international practices has been applied to greek water networks through the use of advanced software in hydraulic simulation in level of digital twins. The variety of greek soil types and activities has shown great differences in network behaviour from place to place. The well-known approach of pressure regulation and restricted consumption or losses was researched based on what consequences would be observed in water quality; especially how these two parameters affect water age. The necessity of monitoring water age when a tactic of regulation is applied was mathematically documented. Furthermore, the optimal point of simultaneous management was sought to reach the ‘golden ratio’ between pressure regulation and water quality. In addition, estimation of the available‒usable energy inside the transmission and distribution hydraulic networks was studied. Pressure management over long periods of times has pointed out the chance to convert the energy that is lost into another usable form to control its consequences on materials, whilst it comes back as a renewable source. For the exact application of energy recovery, a special hydro-turbine was designed with unique features and very low cost which was used experimentally in a real-size simulation to prove its sufficiency.This thesis aims first and foremost at the adjustment of the national water supply network management in ways safer for the public health, more viable for our water sources and more competitive in terms of energy as well as economy. The most basic side goals are proving the negligence towards quality of water through trustworthy examples and highlighting the opportunity of energy recovery which is explored globally.The methodology with which the research was approached was the analytical and extensive reading of international bibliography in order to form the best possible perspective on the matter thanks to the knowledge and understanding gained from studying the tactics that have been applied until today, as well as every available result collected over the years. Emphasis was given to our national bibliography, but the number of research efforts is very small in comparison. The next step was choosing to study a group of areas consisting of different characteristics and use them as case-studies by applying the different tactics. Digital models were developed in level of digital twins in which hundreds of probable scenarios were analyzed. Data showed very important information that were evaluated and are presented in this paper. In the meantime, after realizing the need to find a new way to recover energy, the existing patterns were studied, their common weakness was discovered and, in the end, a pattern that stood out was experimentally developed.Findings of this research are the dependency between quality and quantity of water, the different behavior each network presented and the value of studying each component separately. Water networks ‘hide’ in them high energy levels loads of times, so a good way to evaluate those levels is provided, as well as solutions on what is the appropriate applicable equipment to recover that energy. The most important finding is the realization that management of water quality, quantity and energy needs to be done simultaneously, considering that uni-lateral approach will only cause unpleasant results. Innovative points can be recognized in the summary comments of every model analysis, but interest should be given to the arrangement of the hydro-turbine which results in time coefficient reaching 100% output.Το νερό αποτελεί το σημαντικότερο αγαθό της ζωής μας. Η ποσότητα και η ποιότητά του καθορίζουν τη ζωή μας και την υγεία μας. Η ενέργειά του πήγε μπροστά πολλές φορές την ανθρωπότητα μπροστά και εξακολουθεί να αποτελεί το σημαντικότερο συντελεστή της ανάπτυξής μας. Η μελέτη του νερού έχει αποδείξει πως πάντα αποφέρει σημαντικά αποτελέσματα και αναβαθμίζει την εικόνα και τη διαχείρισή του. Έχουμε πλέον εθνικά φτάσει σε ένα σημείο υπερεκμετάλλευσης αυτού του πόρου χωρίς να δείξουμε το απαραίτητο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια για τη γενικότερη διασφάλισή του. Τα δίκτυα ύδρευσης, μεταφοράς και διανομής αποτελούν τους σημαντικότερους καταναλωτές πόσιμου νερού και η σημασία τους είναι ζωτική. Η διαχείριση των δικτύων και εμμέσως του φυσικού πόρου μέχρι σήμερα έμενε κυρίως στην τμηματική προσέγγιση των υφιστάμενων προβλημάτων που πότε αφορούσαν την ποσότητα και πότε την ποιότητα. Το αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των δικτύων ύδρευσης ολοκληρωμένα, καλύπτοντας παράλληλα το ίδιο ερευνητικό θέμα από τρεις πλευρές. Αυτή της ποσότητας, της ποιότητας και της ενέργειας. Η ανάλυση των θεωριών και των διεθνών πρακτικών έγινε παράδειγμα εφαρμοσμένο σε ελληνικά δίκτυα ύδρευσης ανεπτυγμένα σε λογισμικά υδραυλικής προσομοίωσης, σε επίπεδα ψηφιακών διδύμων. Η ποικιλία της ελληνικής γης και εφαρμογής δραστηριοτήτων ανέδειξε μεγάλες διαφορές στις συμπεριφορές των δικτύων από περιοχή σε περιοχή. Η γενικότερα γνωστή προσέγγιση της ρύθμισης της πίεσης και των περιορισμένων καταναλώσεων ή απωλειών ερευνήθηκε με γνώμονα τις επιπτώσεις στην ποιότητα και πιο συγκεκριμένα την επιρροή της στην ηλικία του νερού. Τεκμηριώθηκε μαθηματικά η ανάγκη παρακολούθησης της ηλικίας όταν εφαρμόζεται μία τακτική ρύθμισης ενώ προσεγγίστηκε και το βέλτιστο σημείο παράλληλης διαχείρισης ως χρυσή τομή μεταξύ ρύθμισης της πίεσης και ποιότητας. Αντικείμενο επίσης αποτέλεσε η εκτίμηση της διαθέσιμης ενέργειας μέσα στα υδραυλικά δίκτυα, τόσο μεταφοράς όσο και διανομής. Η εκτεταμένη διαχείριση της πίεσης ανέδειξε την ευκαιρία, να μετατραπεί σε χρήσιμη μορφή η ενέργεια που καταστρέφεται ώστε να ελεγχθούν οι επιπτώσεις της στα υλικά ενώ παράλληλα έχουμε μία νέα ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Για την ακριβή εφαρμογή όμως της ανάκτησης ενέργειας, σχεδιάστηκε ειδική διάταξη υδροτουρμπίνας με μοναδικά χαρακτηριστικά και πολύ χαμηλό κόστος η οποία έγινε και πειραματική διάταξη σε πραγματικά μεγέθη ώστε να αποδείξει την επάρκεια της. Ο επικεφαλής ερευνητικός στόχος της διατριβής είναι η προσαρμογή της εθνικής διαχείρισης των δικτύων ύδρευσης με τρόπο πιο ασφαλή για τη δημόσια υγεία, πιο βιώσιμο για τους υδατικούς μας πόρους και πιο ανταγωνιστικό σε όρους ενέργειας και οικονομίας. Οι αναλυτικότεροι στόχοι που συντελούν στον παραπάνω, είναι η απόδειξη μέσω αξιόπιστων παραδειγμάτων της αμέλειας προς την ποιότητα του νερού και η ανάδειξη της ευκαιρίας ανάκτησης ενέργειας που παγκόσμια τόσο διερευνάται. Η μεθοδολογία με την οποία προσεγγίστηκε γενικώς η έρευνα ήταν η αναλυτική και εκτενής ανάγνωση της διεθνούς βιβλιογραφίας, ώστε να σχηματισθεί η καλύτερη δυνατή άποψη και γνώση των μέχρι σήμερα πρακτικών αλλά και των διαθέσιμων αποτελεσμάτων. Έμφαση δόθηκε στην εθνική μας βιβλιογραφία η οποία όμως είχε πολύ μικρότερο αριθμό ερευνητικών προσπαθειών. Το επόμενο βήμα ήταν η επιλογή μίας ομάδας περιοχών με διαφορετικά χαρακτηριστικά για να μελετηθούν και να χρησιμοποιηθούν ως αντικείμενα μελέτης και εφαρμογής των πρακτικών. Αναπτύχθηκαν ψηφιακά μοντέλα σε επίπεδα ψηφιακών διδύμων στα οποία εφαρμόστηκαν εκατοντάδες ερευνητικά σενάρια. Τα δεδομένα ανέδειξαν πολύ σημαντικές πληροφορίες που αξιολογήθηκαν και παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή ενώ, ενώ διαπιστώνοντας πως υπάρχει ανάγκη πρακτικά για μία νεότερη διάταξη ανάκτησης ενέργειας, μελετήθηκαν οι υπάρχουσες διατάξεις, βρέθηκε η κοινή τους αδυναμία και πειραματικά αναπτύχθηκε μία που ξεχωρίζει. Τα ευρήματα της μελέτης είναι η εξάρτηση της ποιότητας από την ποσότητα, η διακύμανση της συμπεριφοράς των διαφορετικών δικτύων και η αξία της προσέγγισης του καθενός μοναδικά. Τα δίκτυα πολλές φορές μπορούν να κρύβουν μέσα τους σημαντικές ποσότητες ενέργειας και δόθηκε ένας πολύ καλός τρόπος για να αξιολογηθεί αυτό και να εφαρμοστεί κατάλληλος εξοπλισμός για την ανάκτησή της. Το κυριότερο εύρημα όλων είναι η ανάγκη της παράλληλης διαχείρισης της ποιότητας, ποσότητας και ενέργειας για την αποφυγή δυσάρεστων επιπτώσεων από τη μονομερή προσέγγιση. Καθολικά μπορεί να κανείς να αναγνωρίσει καινοτόμα χαρακτηριστικά τόσο στα συνοπτικά σχόλια κάθε ανάλυσης αλλά πολύ ενδιαφέρον μπορεί να δοθεί στη διάταξη της υδροτουρμπίνας που πιάνει χρονικό συντελεστή απόδοσης που αγγίζει το 100%

The Impact of Pressure Management Techniques on the Water Age in an Urban Pipe Network—The Case of Kos City Network

The goal of this article is to study the impact that pressure management in distribution systems has, on the quality of the supplied water in terms of its water age, using the water distribution network of Kos city, capital of Kos Island in Greece was used as the case study network. This was achieved through network simulation using the Watercad V8i software, followed by the division of the network in district metered areas (DMA) and the placement of pressure reducing valves (PRV) in the entering nodes of each DMA. Research aimed also to optimize DMAs’ borders using the water age as the optimization criterion, instead of maximum pressure reduction. Different scenarios were tested on the calibrated and validated hydraulic model of Kos city water distribution network

Pressure Regulation vs. Water Aging in Water Distribution Networks

In this paper, the effects of pressure regulation in a water distribution network (WDN) are being examined. Quality is hammered the most when pressure is reduced in a WDN and this occurs due to the increase in the age of water flowing inside the network pipes (water age is actually the total time the water remains inside the pipes before reaching the customer’s tap). Kos town WDN is used as the case study network. Kos town is the capital of the homonymous Greek island, among the most famous and popular of the Greek islands. The specific WDN is quite typical but very interesting, as it is extended along the seafront. The network’s hydraulic simulation model was developed through the WaterCad V8i software. As Kos experiences too high-water demand peaks and lows during summer and winter time, respectively, its WDN has already been thoroughly studied, in order to regulate the pressure and reduce its annual water loss rates. Nevertheless, these scenarios have never been examined regarding the impact on water quality. In the current study, the division of the WDN in District Metered Areas (DMAs) and the use of a Pressure Reducing Valve (PRV) in the entering node of each DMA are being evaluated in terms of water age. Additionally, a swift optimization process takes place to produce different DMAs’ borders, based on the criteria of minimum nodal water age, instead of optimal pressure. Different scenarios were tested on the calibrated and validated hydraulic model of Kos town WDN

Optimizing the Formation of DMAs in a Water Distribution Network Applying Geometric Partitioning (GP) and Gaussian Mixture Models (GMMs)

In the last three decades, the need of achieving a reliable water distribution system has become more eminent for both the consumer’s satisfaction and the efficient management of water sources. The purpose of this paper is to provide an optimal separation of a water distribution network (WDN) into District Metered Areas (DMAs) in order to ensure that the delivered water is of proper age and pressure. At first, the water distribution network is divided into smaller areas via the method of Geometric Partitioning, which is based on Recursive Coordinate Bisection (RCB). Subsequently, Gaussian Mixture Modelling (GMM) solution is applied, obtaining an optimal placement of isolation valves and separation of the WDN into DMAs. The performance of the proposed system is evaluated on two different networks and is compared against the Genetic Algorithm (GA) tool, constituting a very promising approach, especially for sizeable water distribution networks due to the diminished running time and the noteworthy reduction of pressure and water age