Analysis of the hydraulic effects associated to the location of an inflatable rubber weir over a spillway profile through experimental and numerical (CFD) model

[EN] The ease of rubber weirs to adapt themselves to different flow conditions makes them interesting for placement over spillway profiles, allowing to increase the stored volume in ordinary operation without compromising the dam’s response in case of flooding. The objective of this study is to analyze the effect of locating an inflatable weir over a spillway profile in what regards its hydraulic response. With this purpose, an experimental and a numerical CFD model of a WES original spillway profile are developed, to then include an EPDM weir whose effect is analyzed for different inflation levels. Numerical and experimental results are close and highlight significant variations in the pressure distribution along the spillway, with aeration playing a significant role. This study concludes that the placement of this particular inflatable weir has an overall positive result if conveniently undertaken, but additional studies with different geometries are required to delve in the topic.[ES] La facilidad de las compuertas inflables para adaptarse a distintas condiciones de flujo las hace interesantes para su ubicación en vertederos de presa, permitiendo aumentar el volumen embalsado en explotación ordinaria, y permitiendo el desinflado y restauración de la geometría original en situación extraordinaria. El objetivo de este estudio es analizar el efecto de la colocación de una compuerta inflable sobre un aliviadero en lo que respecta a su comportamiento hidráulico. Para ello, se desarrollan un modelo físico y un modelo numérico (CFD) del cuerpo de un aliviadero WES original, incorporándose luego una compuerta EPDM cuyo efecto se analiza para distintos niveles de inflado. Los resultados numéricos y experimentales son similares y ponen de manifiesto variaciones significativas en la distribución de presiones a lo largo del vertedero, siendo determinante la aireación. Este estudio concluye que la colocación de esta compuerta particular tiene un efecto global positivo si se realLa autora quiere dar las gracias a la Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha (JCCM) por la financiación proporcionada a través de una beca FPI para el periodo 2014-2016Díaz García, S. (2015). Análisis de los efectos hidráulicos asociados a la colocación de una compuerta inflable sobre un aliviadero mediante modelación física y numérica (CFD). Ingeniería del agua. 19(2):89-104. https://doi.org/10.4995/ia.2015.3623OJS89104192Alhamati, A.A.N., Mohammed, T.A., Ghazali, A.H., Norzaie, J., Al-Jumaily, K.K. 2005. Determination of coefficient of discharge for air-inflated dam using physical model. Suranaree Journal of Science and Technology 12(1), 19-27.Al-Shami, A. 1983. Theory and design of inflatable structures. PhD thesis, University of Sheffield, Sheffield, United Kingdom.Alwan, A.D. 1979. The analysis and design of inflatable dams. PhD thesis, University of Sheffield, Sheffield, United Kingdom.Andersson, A.G., Andreasson, P., Lundström, T.S. 2013. CFD-modelling and validation of free surface flow during spilling of reservoir in down-scale model. Engineering Applications of Computational Fluids 7(1), 159-167.Anwar, H.O. 1967. Inflatable dams. Journal of Hydraulic Divison-ASCE 93(HY3), 99-119.Bardina, J.E., Huang, P.G., Coakley, T.J. 1997. Turbulence modelling validation, testing and development. Ames Research Center, California, USA.Binnie, G.M., Thomas, A.R., Gwyther,J.R. 1973. Inflatable weir used during construction of Mangla Dam. Proceedings of the Institution of Civil Engineers Part 1- Design and Construction 54, 629-639.Chanson, H. 1997. A review of the overflow of inflatable flexible membrane dams. 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The importance of water temperature in water supply systems

[EN] Temperature affects the physical, chemical and biological processes involved in the transport of drinking water, conditioning its water quality. Different works have revealed the role of this variable in specific phenomena. At the same time, research has been carried out to characterize temperature behaviour in water supply systems and assess its modelling possibilities. All of them are independent contributions, but there is not a global and joint vision about the role of temperature in the behaviour of a water network, even though this variable is one of those that will be most affected by climate change. The aim of this work is to revise the importance of water temperature in the different processes that occur during water distribution and to compile what is known so far about temperature modelling in water supply systems. This literature review highlights the importance of thermal conditions in the different dynamics within a distribution network, detecting a need to improve knowledge about its behaviour. This is important not only to better understand water quality at present, but also to evaluate the potential complications that may arise in future climate change scenarios.[ES] La temperatura afecta a los procesos físicos, químicos y biológicos involucrados en el transporte del agua potable, por lo que condiciona la calidad del agua suministrada. Diferentes trabajos han puesto de manifiesto el papel de esta variable de modo específico en cada proceso o fenómeno. A su vez, se han desarrollado investigaciones sobre el comportamiento de la temperatura en las redes de agua y las posibilidades para su modelización. Todas ellas son contribuciones independientes, pero no se cuenta con una visión global y conjunta del papel de la temperatura en el comportamiento de una red de distribución, aun cuando esta variable es una de las que más se verá afectada por el cambio climático. El objetivo de este artículo es revisar la importancia de la temperatura en los diferentes procesos a los que se ve sometida el agua a lo largo de la red de distribución y recopilar lo que se conoce hasta el momento sobre modelización de temperatura en redes de abastecimiento. Esta revisión de la literatura resalta la importancia de las condiciones térmicas en las diferentes dinámicas dentro de una red de distribución, detectando la necesidad de mejorar el conocimiento sobre su comportamiento, no solo para caracterizar la calidad del agua suministrada en la actualidad, sino también para evaluar las posibles complicaciones que pueden surgir en futuros escenarios de cambio climático.Esta publicación es parte del proyecto de I+D+i PID2019-111506RB-00, financiado por MCIN/AEI/10.13039/501100011033. Los autores agradecen también la colaboración de la Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha a través del proyecto SBPLY/19/180501/000162, cofinanciado por Fondos FEDER - Una manera de hacer Europa.Díaz García, S.; González Pérez, J. (2022). La importancia de la temperatura del agua en las redes de abastecimiento. Ingeniería del Agua. 26(2):107-123. https://doi.org/10.4995/ia.2022.17366OJS10712326

Short-Term Variability Effect on Peak Demand: Assessment Based on a Microcomponent Stochastic Demand Model

Peak demand plays a major role in water distribution system design. Peak demand assessment is currently facing a double challenge: shifting toward a probabilistic approach, and considering the effect of different spatial and temporal resolutions. Most probabilistic approaches so far have focused on inferring scaling laws by analyzing measurement time series for different spatial and temporal resolutions. The aim of this paper is two-fold: (a) to present a novel analytical approach that enables to assess the short-term variability effect on probabilistic peak demands for different spatial and temporal scales, and (b) to ease the understanding of peak demand factors thanks to a physically based (rather than an empirical) approach. This is possible by combining the principles of peak demand analysis with a microcomponent-based (i.e., end-use oriented) demand model that enables assessment of short-term variability. The methodology here proposed is applied to two case studies with the purpose of validating the approach and showing its full potential. Results prove that stochastic demand models can be a powerful tool for peak demand assessment

Analytical Stochastic Microcomponent Modeling Approach to Assess Network Spatial Scale Effects in Water Supply Systems

End-uses at water supply systems typically follow a random pulse behavior, which blurs as consumptions are aggregated upstream, affecting flow rate variability along the spatial scale. Instantaneous variability has impact on the capacity of a hydraulic model to represent rapidly changing flow network scenarios, but traditional models only simulate average conditions. This paper analyzes the spatial scale effect in instantaneous flow variability by making use of a novel analytical approach to SIMDEUM (standing for SIMulation of water Demand, an End-Use Model) microcomponent-based stochastic demand model. Analytical results show good correspondence to previous results at the Benthuizen case study and demonstrate the potential use of the approach to assess the effect of network size in a realistic system. Results prove that demand coefficients of variation increase in the periphery of water systems according to power laws, highlighting the necessity of considering real variability rather than average conditions in these areas where real water flows never correspond to average flows. This is of utmost importance when dealing with real measurements and water quality applications.Los usos finales en los sistemas de abastecimiento de agua suelen seguir un comportamiento de impulsos aleatorios, que se difuminan a medida que los consumos se agregan aguas arriba, lo que afecta a la variabilidad del caudal a lo largo de la escala espacial. La variabilidad instantánea repercute en la capacidad de un modelo hidráulico para representar escenarios de redes de caudal que cambian rápidamente, pero los modelos tradicionales sólo simulan condiciones medias. En este trabajo se analiza el efecto de la escala espacial en la variabilidad instantánea del caudal mediante un novedoso enfoque analítico del modelo de demanda estocástica basado en microcomponentes SIMDEUM (acrónimo de SIMulation of water Demand, an End-Use Model). Los resultados analíticos muestran una buena correspondencia con los resultados anteriores en el estudio de caso de Benthuizen y demuestran el uso potencial del enfoque para evaluar el efecto del tamaño de la red en un sistema realista. Los resultados demuestran que los coeficientes de variación de la demanda aumentan en la periferia de los sistemas hídricos según leyes de potencia, lo que pone de relieve la necesidad de considerar la variabilidad real en lugar de las condiciones medias en estas zonas, donde los caudales reales nunca se corresponden con los caudales medios. Esto es de suma importancia cuando se trata de mediciones reales y aplicaciones de calidad del agua

Topological Observability Analysis in Water Distribution Systems

The aim of observability analysis (OA) is to determine if a given measurement setting is sufficient to compute the current status of a water distribution network. There are several approaches in the technical literature for making such an analysis. With all of them, there is an assumption that the lie of the land of the network in terms of the status of its pumps and/or valves is known. This paper omits this assumption and introduces the concept of topological observability analysis (TOA), which aims to determine not only if it would be possible to compute the hydraulic state of a network from the available measurement set (ordinary OA), but also if the status of pumps and valves would be observable as well. Additionally, a method is proposed that modifies the standard measurement Jacobian matrix by incorporating either equations and/or unknowns depending on the available information for each specific pump or valve. The rest of the analysis can be undertaken using any of the existing methods for OA in the literature. An illustrative example is presented by way of illustration to show the potential of TOA, which would certainly enhance online monitoring systems.El objetivo del análisis de observabilidad (OA) es determinar si una configuración de medición dada es suficiente para calcular el estado actual de una red de distribución de agua. Existen varios enfoques en la literatura técnica para realizar dicho análisis. Todos ellos parten del supuesto de que se conoce el estado de la red en términos del estado de sus bombas y/o válvulas. En este trabajo se omite esta suposición y se introduce el concepto de análisis de observabilidad topológica (TOA), cuyo objetivo es determinar no sólo si sería posible calcular el estado hidráulico de una red a partir del conjunto de medidas disponible (OA ordinario), sino también si el estado de las bombas y válvulas también sería observable. Además, se propone un método que modifica la matriz jacobiana de medición estándar incorporando ecuaciones y/o incógnitas en función de la información disponible para cada bomba o válvula específica. El resto del análisis puede realizarse utilizando cualquiera de los métodos existentes para OA en la bibliografía. Se presenta un ejemplo ilustrativo a modo de ejemplo para mostrar el potencial de TOA, que sin duda mejoraría los sistemas de monitorización en línea

Calibration via Multi-period State Estimation in Water Distribution Systems

Calibration of model parameters is of utmost importance to ensure the good performance of hydraulic simulation models. In this work, calibration is conceived within a joint multi-period parameter and state estimation approach, where model parameters (i.e. roughness coefficients) and hydraulic variables should be computed from available measurements at different times. The aim of this paper is twofold: (1) to present a novel methodology for the calibration of water networks via multi-period state estimation, and (2) to adapt observability analysis to this approach. The novelty of this work is that such a large-scale non-linear optimisation problem is here solved using mathematical programming decomposition techniques. On the other hand, observability analysis requires the construction of the multi-period measurement and parameter Jacobian matrix of the problem. The proposed approach enables computation of the observable roughness coefficients from available readings over time, making possible the periodic reassessment of roughness values based on recent online measurements. The potential of the method is illustrated by means of a case study, which shows how such a methodology would contribute to make the most of telemetry data for calibration purposes.La calibración de los parámetros del modelo es de suma importancia para garantizar el buen funcionamiento de los modelos de simulación hidráulica. En este trabajo, la calibración se concibe dentro de un enfoque conjunto multiperiodo de estimación de parámetros y estados, en el que los parámetros del modelo (es decir, los coeficientes de rugosidad) y las variables hidráulicas deben calcularse a partir de las mediciones disponibles en diferentes momentos. El objetivo de este trabajo es doble: (1) presentar una metodología novedosa para la calibración de redes hidráulicas mediante la estimación de estado multiperiodo, y (2) adaptar el análisis de observabilidad a este enfoque. La novedad de este trabajo es que un problema de optimización no lineal a gran escala se resuelve aquí utilizando técnicas de descomposición de la programación matemática. Por otra parte, el análisis de observabilidad requiere la construcción de la matriz jacobiana de medidas y parámetros multiperiodo del problema. El enfoque propuesto permite calcular los coeficientes de rugosidad observables a partir de las lecturas disponibles a lo largo del tiempo, haciendo posible la reevaluación periódica de los valores de rugosidad basándose en mediciones recientes en línea. El potencial del método se ilustra mediante un estudio de caso, que muestra cómo una metodología de este tipo contribuiría a aprovechar al máximo los datos de telemetría con fines de calibración

Topological State Estimation in Water Distribution Systems: Mixed-Integer Quadratic Programming Approach

State estimation (SE) techniques can be applied to compute the most likely hydraulic state of a water distribution system from the available measurements at a given time. Different approaches exist in the technical literature to undertake such an analysis, but in all of them it is assumed that pump and valve statuses are known beforehand. Such consideration may lead to unrealistic results if real-time unnotified changes in the operation of the network take place, limiting the usefulness of the information provided by telemetry systems. This work eliminates the known-status assumption and presents the concept of topological state estimation (TSE), which not only computes the hydraulic state of the system, but also the current pump and valve status according to the existing measurements. More specifically, a novel methodology for TSE is set out in this paper. The proposed method is derived from the original mixed-integer non-linear programming formulation of the problem, which is transformed in an iterative mixed-integer quadratic programming problem by linearizing some hydraulic constraints. The potential of the methodology is presented by means of an illustrative example and a large case study, in which pumps, gate valves and check valves exist. Results show that TSE would successfully contribute to make the most of available telemetry systems, hence expanding the online monitoring possibilities of water distribution networks.Las técnicas de estimación del estado (SE) pueden aplicarse para calcular el estado hidráulico más probable de un sistema de distribución de agua a partir de las mediciones disponibles en un momento dado. En la literatura técnica existen diferentes enfoques para llevar a cabo un análisis de este tipo, pero en todos ellos se supone que los estados de las bombas y las válvulas se conocen de antemano. Esta consideración puede conducir a resultados poco realistas si se producen cambios no notificados en tiempo real en el funcionamiento de la red, limitando la utilidad de la información proporcionada por los sistemas de telemetría. Este trabajo elimina la suposición de estado conocido y presenta el concepto de estimación topológica del estado (TSE), que no sólo calcula el estado hidráulico del sistema, sino también el estado actual de bombas y válvulas según las mediciones existentes. Más concretamente, en este artículo se expone una metodología novedosa para la TSE. El método propuesto se deriva de la formulación original de programación no lineal mixta entera del problema, que se transforma en un problema iterativo de programación cuadrática mixta entera mediante la linealización de algunas restricciones hidráulicas. El potencial de la metodología se presenta mediante un ejemplo ilustrativo y un caso práctico de gran tamaño, en el que existen bombas, válvulas de compuerta y válvulas antirretorno. Los resultados muestran que TSE contribuiría con éxito a aprovechar al máximo los sistemas de telemetría disponibles, ampliando así las posibilidades de monitorización en línea de las redes de distribución de agua

Observability Analysis in Water Transport Networks: Algebraic Approach

State estimation (SE) techniques are being applied to different network systems in order to convert system measurements into real information about the network state. SE applications to water systems are relatively novel, but these techniques have been implemented in other fields for decades. In those applications, observability analysis (OA) is required prior to application of SE techniques with different purposes: (1) to identify redundant information, (2) to detect elements that make no contribution in the subsequent SE process, or (3) to identify observable islands. However, no discussion has been found in the pertinent literature regarding any interest in applying OA to water networks, with there being only a few basic applications. The aim of this paper is twofold: first, to present the implementation of a novel algebraic OA approach to water networks, which is based on the application of a Gauss elimination technique to the measurement Jacobian matrix, and to discuss and justify the interesting aspects of implementing an OA in water transport networks (WTN) prior to using SE while also presenting the issues that this technique may resolve. The results obtained highlight the algorithm potential for real supply systems, improving the knowledge of what information provided by supervisory control and data acquisition (SCADA) systems is really worth compiling.Las técnicas de estimación del estado (SE) se están aplicando a distintos sistemas de redes con el fin de convertir las mediciones del sistema en información real sobre el estado de la red. Las aplicaciones de la SE a los sistemas hídricos son relativamente novedosas, pero estas técnicas llevan décadas aplicándose en otros campos. En esas aplicaciones, el análisis de observabilidad (OA) es necesario antes de la aplicación de las técnicas SE con diferentes propósitos: (1) identificar información redundante, (2) detectar elementos que no contribuyen en el proceso SE posterior, o (3) identificar islas observables. Sin embargo, no se ha encontrado en la literatura pertinente ninguna discusión sobre el interés de aplicar OA a las redes de agua, existiendo sólo algunas aplicaciones básicas. El objetivo de este trabajo es doble: en primer lugar, presentar la implementación de un novedoso enfoque algebraico de OA a redes de agua, que se basa en la aplicación de una técnica de eliminación de Gauss a la matriz jacobiana de medidas, y discutir y justificar los aspectos interesantes de implementar un OA en redes de transporte de agua (WTN) antes de utilizar SE, presentando además los problemas que esta técnica puede resolver. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto el potencial del algoritmo para los sistemas de abastecimiento reales, mejorando el conocimiento de qué información proporcionada por los sistemas de control y adquisición de datos (SCADA) merece realmente la pena recopilar

Probabilistic leak detectability assessment via state estimation in water transport networks

Leak detectability or leakage awareness refers to the capability of sensing losses from a water supply system. Several methods exist in the technical literature to tackle this problem, but only few address it with a state estimation approach. The aim of this paper is to present a new methodology that enables probabilistic assessment of the extent to which water loss could be detected using state estimation by only analysing a single hydraulic state, i.e. one time period. Significant leaks are sensed by identifying unusually high normalised state estimation residuals, which can be identified based on the largest normalised residual test. More specifically, the probability of detecting leaks is computed here by working with the multivariate distribution among measurements and estimates to take into account the noisy nature of measurements with an analytical approach rather than with sampling experiments, which are time-consuming. The methodology set out herein also provides a procedure to systematically assess the minimum leak that could be detected in different parts of the network for a specific measurement setting and operating condition. The method has been applied to a water transport network case study to show its potential and to highlight the usefulness of such a tool for practitioners. The limitations of such a methodology are also discussed, including its possible use for on-line leak detection strategies.La detectabilidad de fugas se refiere a la capacidad de detectar pérdidas en un sistema de suministro de agua. Existen varios métodos en la literatura técnica para abordar este problema, pero sólo unos pocos lo hacen con un enfoque de estimación de estado. El objetivo de este artículo es presentar una nueva metodología que permite evaluar de forma probabilística hasta qué punto se pueden detectar las pérdidas de agua mediante la estimación del estado analizando un único estado hidráulico, es decir, un periodo de tiempo. Las fugas significativas se detectan identificando residuos de estimación de estado normalizados inusualmente altos, que pueden identificarse basándose en la prueba del mayor residuo normalizado. Más concretamente, la probabilidad de detectar fugas se calcula aquí trabajando con la distribución multivariante entre mediciones y estimaciones para tener en cuenta la naturaleza ruidosa de las mediciones con un enfoque analítico en lugar de con experimentos de muestreo, que requieren mucho tiempo. La metodología aquí expuesta también proporciona un procedimiento para evaluar sistemáticamente la fuga mínima que podría detectarse en diferentes partes de la red para una configuración de medición y unas condiciones de funcionamiento específicas. El método se ha aplicado a un estudio de caso de una red de transporte de agua para mostrar su potencial y poner de relieve la utilidad de una herramienta de este tipo para los profesionales. También se discuten las limitaciones de esta metodología, incluido su posible uso para estrategias de detección de fugas en línea

Uncertainty Evaluation for Constrained State Estimation in Water Distribution Systems

In this paper, an alternative uncertainty treatment for the traditional unconstrained weighted-least-squares (WLS) method is presented. This treatment enables hydraulic constraints (i.e., null demands at transit nodes or null flows at closed pipes, pumps, or valves, etc.), high-precision measurements, and upper and lower variable bounds (i.e., head levels at tanks) to be included within the state estimation (SE) problem for water distribution systems. With this approach, there is no need to choose appropriate weights associated with these types of measurements in order to correctly assess uncertainty for the SE problem. The method set out herein tackles these as constraints and works with the linear system of equations derived from imposing first-order optimality conditions for the constrained SE problem. This approach enables general quantification of the SE uncertainty for all the hydraulic variables within the water system by applying the first-order second-moment (FOSM) method. Moreover, it enables standard computation of the covariance residual matrix associated with it, which is necessary to detect erroneous measurements. An illustrative example and a case study are shown to bring out the fact that the SE uncertainty results are more accurate and to show how the numerical conditioning of the system is affected, which may be crucial when dealing with large-scale water networks.En este artículo se presenta un tratamiento alternativo de la incertidumbre para el método tradicional de mínimos cuadrados ponderados (WLS) sin restricciones. Este tratamiento permite incluir restricciones hidráulicas (por ejemplo, demandas nulas en nodos de tránsito o caudales nulos en tuberías cerradas, bombas o válvulas, etc.), mediciones de alta precisión y límites variables superior e inferior (por ejemplo, niveles de carga en depósitos) en el problema de estimación de estado (SE) para sistemas de distribución de agua. Con este enfoque, no es necesario elegir las ponderaciones adecuadas asociadas a estos tipos de mediciones para evaluar correctamente la incertidumbre para el problema de SE. El método que aquí se expone las aborda como restricciones y trabaja con el sistema lineal de ecuaciones derivado de la imposición de condiciones de optimalidad de primer orden para el problema de SE restringido. Este enfoque permite la cuantificación general de la incertidumbre de la SE para todas las variables hidráulicas del sistema hídrico mediante la aplicación del método del segundo momento de primer orden (FOSM). Además, permite el cálculo estándar de la matriz de covarianza residual asociada, que es necesaria para detectar mediciones erróneas. Se muestran un ejemplo ilustrativo y un estudio de caso para poner de manifiesto que los resultados de incertidumbre SE son más precisos y mostrar cómo se ve afectado el condicionamiento numérico del sistema, lo que puede ser crucial cuando se trata de redes de agua a gran escala