Assessing the chemical stability of tap water by means of the software for ionic composition simulation

Wymywanie osadów z sieci wodociągowej może występować na skutek zmian warunków hydraulicznych oraz składu chemicznego wody w sieci wodociągowej. Może być także efektem zmian w układzie technologicznym stacji uzdatniania wody, zmian składu wody surowej (szczególnie na ujęciach wód powierzchniowych) lub mieszania się w sieci wodociągowej wód pochodzących z różnych ujęć. Zastosowanie programów komputerowych do symulacji składu jonowego wody i obliczania indeksów stabilności w tych wypadkach może okazać się cennym narzędziem diagnostycznym. W pracy przedstawiono możliwości wykorzystania programu PHREEQC 2.3 do symulacji składu jonowego wody w praktyce wodociągowej. Stwierdzono ich użyteczność przy prognozowaniu zdolności do wytrącania minerałów z wody wodociągowej oraz sprawdzania poprawności analiz chemicznych wody. Wykazano, że na podstawie indeksów stabilności chemicznej wody można diagnozować procesy zachodzące w sieciach wodociągowych.Mineral precipitation in the water-pipe network occurs due to the change in the hydraulic conditions or in the chemical composition of the water. But there are some other contributing factors, e.g. the change in the treatment train applied, variations in the composition of raw water (especially at surface water intakes), or the water mix produced in the pipeline by the inflow from a variety of intakes. It seemed therefore advisable to evaluate the chemical stability indexes for the pipe water with the help of the software for simulating the ionic composition of the water, as this was likely to be a useful diagnostic tool. For the purpose of the study reported on in this paper, use was made of the software PHREEQC for ionic composition simulation in water distribution engineering. The software was found to be of utility in predicting mineral precipitation from the tap water and in assessing the reliability of chemical analyses. The study has shown that with the chemical stability indexes obtained via the described method it is possible to predict the processes occurring in the water distribution networks

Analysis of the Hydraulic Efficiency of the Water Supply Network for City of Jelenia Góra

On the basis of in-situ measurements and computer-aided modelling of the water-pipe network in Jelenia Góra,the values of the parameters describing the real wall roughness of cast-iron and steel pipes in service were determined.The data sets obtained were subject to statistical analysis to quantify the effect of service time,pipe diameter and maximum flow velocity in the pipes during 24 hours on the specific wall roughness values

Hydraulic network model for Polanica Zdrój

Presented are some engineering problems dealt with in calibrating the parameters of the water supply network model for Polanica Zdrój.Calibrating was carried out on the basis of data sets obtained by measurements and in an analytical approach.Measurements were performed continuously for 7 days and included the following parameters : pressure at 23 models, water levels in the tanks. For the needs of calibration,actual in-service conditions ( observed in the course of field investigations ) were taken into account. The input data sets forthe calibrating process encompassed the following items : topological descriptions of the water distribution system ; schematic representations of the joint notes ; pipe length,pipe diameter,pipe age and pipe material ; information about actual conditions observed in service ; first approximation of identified parameter values and measured results

Artificial Neural Networks for Predicting Water Demand Time Series in Municipal Water Supply Systems of Choice.

W artykule omówiono wyniki modelowania i prognozowania szeregów czasowych poboru wody z miejskich sieci wodociągowych dla potrzeb optymalnego sterowania procesami zaopatrzenia w wodę. Zaprezentowano wyniki praktycznej weryfikacji sztucznych sieci neuronowych na przykładzie wydzielonego rejonu sieci wodociągowej we Wrocławiu i Brzegu. Przedstawiona została propozycja struktury sieci neuronowej przystosowanej do prognozowania zapotrzebowania na wodę, a także omówiono metody przygotowania danych statystycznych do późniejszego wykorzystania przy prognozowaniu z zastosowaniem sieci neuronowych. Wykazano silne i słabe strony omawianej metody prognozowania, jej skuteczność i dokładność. Skuteczność sztucznych sieci neuronowych w prognozowaniu szeregów czasowych krótkotrwałego poboru wody okazała się w praktyce porównywalna ze skutecznością modeli klasy ARIMA.Water demand time series were modeled and forecast for the purpose of optimal control of water supply processes in municipal water supply systems. The verification of the artificial neural network models involved a separate water supply subsystem for Wrocław and the water supply system for Brzeg. A structure of artificial neural networks is proposed for water demand prediction. Methods of statistical data processing for further use with neural networks for water demand prediction are also discussed. The strengths and weaknesses of this approach are pointed out along with its efficiency and accuracy. The results show that the efficiency of neural networks in forecasting the water demand time series is comparable with the efficiency of ARIMA models. Hence, the neural networks can be used as an alternative to the ARIMA models

Stochastic models of water demand in a chosen water-supply system

Zaprezentowano dwa modele prognostyczne szeregów czasowych godzinowego poboru wody, tj. model klasy ARIMA i model opracowany przez Wintera, zweryfikowane na podstawie analizy zbiorów ciągłych obserwacji poboru wody w systemie wodociągowym Brzegu. Wykazano, że obie metody prognozowania spełniają wygodną dla potrzeb praktycznych zasadę łatwej dostępności danych wyjściowych do prognozowania. Nie ujmują one żadnych zmiennych zewnętrznych, a bazują wyłącznie na chronologicznie uszeregowanych ciągach obserwacji poboru wody z bezpośredniej przeszłości. Zaletą modeli klasy ARIMA przy ich oszczędnej parametryzacji jest to, że proces prognozowania godzinowego poboru wody może być zainicjowany już przy stosunkowo małej liczbie wyrazów szeregu czasowego. W praktyce już dwutygodniowy ciąg obserwacji godzinowego poboru wody daje możliwość zainicjowania procesu prognozowania. Strukturę modelu ARIMA (1,0,0)(1,1,0)24 można uznać za uniwersalną, nadającą się do prognozowania godzinowych poborów wody w miejskich systemach wodociągowych. Przyjęcie tej tezy, zwłaszcza że pokrywa się ona z wcześniejszymi wynikami badań własnych, w znacznym stopniu może uprościć automatyzację prognozowania, bo eliminuje się z procesu analizy szeregu czasowego etap poszukiwania struktury modelu. Stwierdzono, że przekształcenie szeregu surowego w szereg Fouriera poprawia wyniki prognoz oraz że odpowiednimi modelami dotyczącymi prognoz poboru wody są sezonowe modele multiplikatywne. Metody prognozowania oparte na algorytmach wygładzania wykładniczego są łatwe do zastosowania i nie wymagają założenia o stacjonarności szeregu czasowego. Addytywny model Wintera daje prognozy, które wykazują najmniejsze błędy. Stwierdzono, że nie zawsze złożone metody dają optymalne prognozy, a zaprezentowane modele, w hierarchii metod służących do prognozowania poboru wody, plasowane są na wysokim miejscu.The study reported on in this paper involved two models, a model of ARIMA class and the model developed by Winter, which are used to forecast an hourly water demand time series. The models have been verified by analyzing the sets of continuous observations of the water demand in the water-supply system of Brzeg. Both the methods meet the requirement of an easy availability of the input data for the needs of forecasting. They do not include any external variables and are based solely on the preceding chronological water demand time series. Characterized by a reasonable parametrization, the ARIMA class models offer the potentiality for initiating the forecasting of water demand with a comparatively small number of points in the time series. In practice, 14-day hourly observations will suffice to initiate the forecasting process. The structure of the ARIMA (1,0,0)(1,1,0)24 model can be considered universal and suitable for forecasting the water demand in municipal water-supply systems. Accepting this thesis, as well as taking into account the fact that it is consistent with the results of our previous researches, we can notably simplify the automation of forecasting, because in this way the stage of search for the model structure is eliminated from the analysis of the time series. It is worth noting that the transformation of a raw time series into a Fourier series upgrades the quality of the forecasts and that seasonal multiplicative models are suitable for forecasting the water demand. Forecasting methods based on algorithms for an exponential smoothing of the time series are easy to use and do not require the assumption of a stationary input sequence. The additive Winter' model generates forecasts with the smallest errors. Our study has produced the following findings: sophisticated methods do not always generate optimal forecasts; the models presented in this paper rank high in the hierarchy of the methods used for forecasting of water demand

Water demand modeling for housing estates

W pracy podano zasady wyznaczania i prognozowania histogramów chwilowego poboru wody w ciągu doby na przykładzie wydzielonych rejonów sieci wodociągowych we Wrocławiu i Kłodzku. Wykazano przydatność stosowania sztucznych sieci neuronowych w procesach kalibracji i weryfikacji modeli hydraulicznych oraz w dynamicznym modelowaniu przepływu wody w sieci wodociągowej. Przeprowadzona analiza skuteczności sztucznych sieci neuronowych w bieżącym prognozowaniu dobowych profili godzinowego poboru wody w osiedlach mieszkaniowych wykazała względnie dobrą jakość predykcji, porównywalną lub lepszą od jakości predykcji wg modeli klasy ARIMA i metod wykładniczego wygładzania szeregów czasowych. Wykazano, że optymalne struktury sieci perceptronowych nie są skomplikowane, przez co proces ich douczania lub uczenia od nowa nie wymaga długotrwałych obliczeń. W procedurach doboru tych struktur można ograniczyć opóźnienie do 5 d tego samego typu (dni robocze, soboty oraz niedziele i święta), liczbę warstw ukrytych do 1 oraz liczbę neuronów w warstwie ukrytej do 15. Sieci neuronowe mogą być wykorzystywane między innymi w procesach kalibracji modeli przepływu wody w systemach wodociągowych oraz w komputerowych badaniach symulacyjnych działania tych systemów. Doboru optymalnych struktur sieci można dokonać w oparciu o pakiety "Sieci neuronowe" programu STATISTICA (wersja od 6 do 8).The principles of determining and forecasting 24-hour water demand histograms for specific user groups are discussed, using two different water supply subsystems as examples (in Wroclaw and Klodzko). The applicability of artificial neural networks to the calibration and verification of hydraulic models, as well as to the modeling of flow in water supply systems, has been confirmed. Analysis of the efficiency of artificial neural networks in forecasting 24-hour profiles of hourly water demand in housing estates has revealed a relatively high quality of prediction, which is comparable to, or higher than, the quality of the predictions obtained with models of ARIMA class or with exponential smoothing of the time series. It has been demonstrated that the optimal structures of perceptron networks are not of a complex nature, so the process of their education or re-education does not require long-lasting computations. In the procedures of choosing those structures the delay can be reduced to 5 days of the same category (working days, weekends, national holidays, bank holidays), the number of hidden layers to 1, and the number of neurons in the hidden layer to 15. Neural networks can also be used for calibrating the models of water flow in water supply systems, as well as for computer simulations showing how these systems function. The optimal structures of the networks can be chosen using the packets 'Neural networks' of the software STATISTICA (v. 6 to 8)

Practical aspects of analyzing water losses in water supply systems

Zaprezentowano wyniki analiz i pomiarów terenowych mających na celu identyfikację objętości strat wody w sieci wodociągowej na terenie dolnośląskiego miasta o liczbie mieszkańców ok. 7 tys. Wykazano, że w warunkach, gdy przewody sieci wodociągowej są ułożone w gruntach skalistych i gruboziarnistych, przecieki spowodowane uszkodzeniami i związane z nimi straty wody są bardzo trudne do wykrycia, gdyż woda wnika w grunt i miejsca awarii są praktycznie niewidoczne. Szczególnie w małych systemach wodociągowych straty wody spowodowane przeciekami z przewodów mogą stanowić znaczący udział w jej produkcji i sprzedaży. W analizowanym systemie wodociągowym straty te kształtowały się w przedziale 83÷116% objętości sprzedanej wody, tj. 33,8÷38,0 m3/d×km. Stwierdzono, że do wstępnej oceny objętości ogólnych strat wody powinny być wykorzystane analizy zestawień ilości wody wtłaczanej do sieci wodociągowej oraz ilości wody sprzedanej, zarówno w odniesieniu do całej sieci, jak i wydzielonych jej rejonów. Szczegółowa lokalizacja odcinków sieci o zwiększonym rozbiorze wody spowodowanym przeciekami może być dokonana w oparciu o analizy symulacyjne działania systemu dystrybucji wody wykonane przy użyciu komputerowego modelu przepływów, pod koniecznym warunkiem właściwego wytarowania jego parametrów (właściwej kalibracji modelu). W niektórych sytuacjach, zwłaszcza jeśli ciśnienia w sieci wodociągowej nie są stale monitorowane, wskazane jest przeprowadzenie ich pomiarów w wytypowanych godzinach nocnych. Kontrola i racjonalizacja ciśnień w sieci wodociągowej jest jednym z najważniejszych zabiegów mających na celu minimalizację strat wody, a tym samym minimalizację kosztów związanych z poborem i dystrybucją wody do jej odbiorców. Oszacowana obniżka kosztów bezpośrednich produkcji i dystrybucji wody w analizowanym systemie wodociągowym w rezultacie zmniejszenia nadmiernych strat ciśnienia, wyniosła 12,9% w 2001 r.Analysis and field measurements were carried out to identify the volume of water losses in the water supply system of a Lower-Silesian town with a population of about 7,000. The findings of the study are as follows. When the pipes are laid in rocky or coarse-grained soils, leaks due to damage, as well as the resulting water loss, are very difficult to identify because the water soaks into the soil and the breakdown spots become practically invisible. Water losses due to leaks are of crucial importance to a small-sized water supply system, where they may substantially contribute to the overall water production and sale. In the water-supply system being analyzed, water losses accounted for 83% to 116% of the total volume of the water sold (i.e. 33.8 to 38.0 m3/d×km). When establishing preliminary assessments of the overall water loss, it is necessary to include into analysis the volume of the pumped-in water and the volume of water sold, with respect to both the entire water network and separate segments. A precise location of the segments with increased partition due to leaks can be obtained by simulating the operation of the water distribution system. The simulation can be carried out with a computer model of flow, provided that its parameters have been adjusted appropriately (the model has been calibrated accordingly). In some instances (especially when the pressure in the pipes is not monitored continuously), it is advisable to perform pressure measurements during arbitrarily chosen night hours. Control and optimization of pipe pressure is a crucial requisite for minimizing water loss and consequently the cost of water intake and water distribution to the users. The estimated reduction in the direct cost of water production and distribution as a result of reducing excessive losses of pressure amounted to 12.9% in 2001

Neural network models of hourly water demand time series in housing areas

Omówiono wyniki modelowania i prognozowania szeregów czasowych poboru wody z miejskich sieci wodociągowych na potrzeby optymalnego sterowania procesem zaopatrzenia w wodę. Zaprezentowano wyniki weryfikacji sztucznych sieci neuronowych na przykładzie wydzielonego rejonu sieci wodociągowej w Kłodzku i we Wrocławiu. Przedstawiono analizę przydatności sztucznych sieci neuronowych w bieżącym prognozowaniu szeregów czasowych godzinowego poboru wody, która wykazała, że optymalne struktury sieci perceptronowych i liniowych nie są skomplikowane, co między innymi ułatwia proces ich douczania lub uczenia od nowa. W praktyce błędy prognozowania przy wykorzystaniu wielowarstwowych perceptronowych sieci neuronowych i liniowych sieci neuronowych okazały się porównywalne lub mniejsze od błędów predykcji wg modeli klasy ARIMA i metod wykładniczego wygładzania szeregów czasowych. Wykazano, że przydatność sieci o radialnych funkcjach bazowych do prognozowania dobowych histogramów godzinowego poboru wody była ograniczona i jednocześnie mniejsza niż sieci liniowych oraz perceptronowych.The paper outlines the results of modeling and forecasting the water demand time series for the optimal control of water supply processes in municipal water supply systems. The results of verification of the artificial neural network models have been presented for a separate water supply subsystem in Klodzko and in Wroclaw. Analysis of the performance of artificial neural networks when used to develop current predictions of the time series for hourly water demand has revealed that the optimal structures of perceptron and linear networks are not very complicated, which facilitates the process of additional training or re-training. Practically, it has been found that forecasting produces comparable or smaller errors when focused on multilayer perceptron neural networks and linear neural networks than when based on the use of ARIMA models and exponential smoothing of the time series. Applicability of neural networks of radial base functions (RBF) to forecasting daily water demand histograms is limited, and lesser than that of linear and perceptron networks

On the increase of hydraulic resistance in cast iron and steel pipes of the water supply network for the city of Wrocław

The values of the parameters describing the real wall roughness of cast-iren and steel pipes in service were determined by in-situ measurements and computer-aided modelling of the water-pipe network of Wrocław. The data sets obtained were subject to statistical analysis to quantify the effect of service time,pipe diameter and maximum flow velocity during 24 hours on the specific wall roughness values