Przegląd metod wyznaczania lokalizacji punktów monitoringu jakości wody w sieci wodociągowej

• Autorzy: Hołota E. , Kowalska B.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rb.2015.6

Warianty tytułu

EN

Methods of determining localizations of water qualilty monitoring points in a water distribution system - review

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Jednym z elementów zarządzania jakością wody w sieciach wodociągowych jest monitoring jej jakości. Ma on na celu zarówno kontrolę i ocenę jakości dostarczanej wody, jak również wczesne wykrycie zdarzenia zanieczyszczenia i szybką reakcję na nie. W większości krajów obowiązujące przepisy wymagają monitorowania jakości wody, lecz nie wskazują, w jaki sposób mają być określone reprezentatywne lokalizacje umieszczania czujników jakości wody. Obecnie obowiązujące przepisy prawne regulują jedynie zakres oznaczeń i częstotliwość prowadzenia badań w systemach wodociągowych. Wybór miarodajnych punktów pomiarowych jakości wody w systemie dystrybucji jest problemem bardzo złożonym i kluczowym w planowaniu monitoringu. Wymaga on dobrej znajomości warunków hydraulicznych pracy sieci, a także przeprowadzenia analiz historycznych zmian jakości wody ujmowanej, uzdatnionej i wtłaczanej do sieci wodociągowej. Ze względu na brak szczegółowych wytycznych co do lokalizacji punktów pomiarowych dla celów monitoringu systemów wodociągowych utworzono wiele metod umożliwiających lokalizowanie punktów pomiarowych w sieciach dystrybucji wody. Jednakże dotychczas nie udało się wybrać jednej, uniwersalnej metody, która byłaby referencyjna w stosunku do innych. Z powodu dużej różnorodności metod lokalizacji punktów badania jakości wody istnieje konieczność opracowania metodyki oceny ich skuteczności. Niniejsza praca stanowi przegląd literatury dotyczącej monitoringu jakości wody. Przedstawiono w niej problemy związane z monitorowaniem jakości wody oraz zaprezentowano przegląd metod stosowanych do wyznaczania lokalizacji punktów monitoringu jakości wody.

EN

One of the elements of water quality management in water distribution networks is water quality monitoring. Its aim is to control and evaluate the quality of the water supply, as well as early detect contaminant events and quickly respond to them. In most countries, the existing regulations require monitoring of water quality, but do not indicate how representative locations of water quality sensors should be defined. The currently applicable law regulations only specify the range of indications and frequency of doing research in water supply systems. The choice of appropriate measurement points of water quality in a water distribution system is a complex problem and it is crucial in the planning of monitoring. It requires a good knowledge of the hydraulic conditions of the network, as well as analysis of historical changes in the quality of water from intake, treated and supply to the water network. Due to the lack of specific guidelines for the location of measurement points for the monitoring of water distribution system, a large number of methods were created to enable locating sampling points in water distribution system but so far no universal method that would be a reference in relation to others has been chosen. Because of the wide variety of location methods of water quality testing points, there is a need to develop a methodology of evaluating their effectiveness. This paper provides an overview of the literature concerning water quality monitoring. It identifies the problems associated with the monitoring of water quality and provides an overview of the methods used to determine the location of water quality monitoring points.

Słowa kluczowe

PL

sieć wodociągowa; monitorowanie; jakość wody; umiejscowienie czujnika

EN

water network; monitoring; water quality; sensor placement

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture
• Rocznik: 2015
• Tom: z. 62, nr 1
• Strony: 81--98
• Opis fizyczny: Bibliogr. 77 poz.

Twórcy

autor

Hołota E.

• Katolicki Uniwersytet Lubelski im. Jana Pawła II, Wydział Zamiejscowy Prawa i Nauk o Społeczeństwie, Stalowa Wola

autor

Kowalska B.

• Politechnika Lubelska

Bibliografia

• [1] Aasgaard G., Berg J.D., Nesgard B., Ratnaweera H., Wathne B.M., Degestand K., Lenes G.: On-line monitoring of water quality: Hygienic control, increased treatment efficiency, updated environmental information and cost reduction, 13 Special Subject. IWSA World Congress, Madrid 1997, pp. SS13-1-HSS13-4.
• [2] Al-Zahrani M.A.: Identifying water quality sampling stations in Al-Khobar water distribution system. Kingdom of Saudi Arabia, Arab Gulf Journal of Scientific Research, vol. 22, issue 3, 2004, pp. 130-137.
• [3] Al-Zahrani M.A., Moeid K.: Locating optimum water quality monitoring stations in water distribution system. ASCE World Water & Environmental Resources Congress, 2001, pp. 393-402.
• [4] Al-Zahrani M.A., Moeid K.: Optimizing water quality monitoring stations using genetic algorithms. Arabian Journal for Science and Engineering, no. 28(1B), 2003, pp. 57-75.
• [5] Berger-Wolf T., Hart W., Saia J.: Discrete sensor placement problems in distribution networks. Mathematical and Computer Modelling, no. 42(13), 2005, pp. 1385- 1396.
• [6] Berry J.W., Hart W.E., Phillips C.A., Uber J.: A general integer-programmingbased framework for sensor placement in municipal water networks. ASCE World Water and Environmental Resources Congress 2004, pp. 455-465.
• [7] Berry J.W., Hart W.E., Phillips C.A., Watson J.P.: A facility location approach to sensor placement optimization. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [8] Berry J.W., Hart W.E., Phillips C.A., Watson J.-P.: Scalability of integer programming computations for sensor placement in water networks. ASCE World Water and Environmental Resources Congress, 2005, pp. 281-293.
• [9] Berry J.W., Fleischer L., Hart W.E., Phillips C.A., Watson, J.-P.: Sensor placement in municipal water networks. ASCE Journal of Water Resources Planning and Management, no. 131(3), 2005, pp. 237-243.
• [10] Berry J.W., Hart W.E., Phillips C.A., Uber J.G., Watson J.-P.: Validation and assessment of integer programming sensor placement models. ASCE World Water and Environmental Resources Congress, 2005, pp. 55-65.
• [11] Carr R., Greenberg H., Hart W., Konjevod G., Lauer E., Lin H., Morrison T., Phillips C.: Robust optimization of contaminant sensor placement for community water systems. Mathematical Programming, no. 107(1), 2006, pp. 337-356.
• [12] Church R., ReVelle C.: The maximal covering location problem. Papers in Regional Science, no. 32(1), 1974, pp. 101-118.
• [13] Dojlido J., Zerbe J.: Instrumentalne metody badania wody i ścieków. Arkady, Warszawa 1997.
• [14] Dorini G., Jonkergouw P., Kapelan Z., Savic D.: SLOTS: Effective algorithm for sensor placement in water distribution systems. Journal of Water Resources Planning and Management Division. ASCE, no. 136 (6), 2010, pp. 620-628.
• [15] Dorini G., Jonkergouw P., Kapelan Z., di Pierro F., Khu S.T., Savic D.A.: An efficient algorithm for sensor placement in water distribution systems. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006, pp. 1-13.
• [16] Du Preez L.A., Husselmann A.J., Acton N.R., Lange L.: Establishing a network of on-line monitors at the purification works and in the distribution network of Rand Water. Wat. Sci. Tech., vol. 37, no. 9, 1998, pp. 65-71.
• [17] Dyrektywa Rady 98/83/EC z dnia 3 listopada 1998 r. dotycząca jakości wody przeznaczonej do konsumpcji przez ludzi. Official Journal of the European Communities. No. L. 330.5.12.98. pp. 32-54.
• [18] Ehsani N., Afshar A.: Optimization of contaminant sensor placement in water distribution networks: Multi-objective approach. Water Distribution Systems Analysis, 2010, pp. 338-346.
• [19] Eliades D., Polycarpou M.: Iterative deepening of Pareto solutions in water sensor Networks. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [20] Eliades D., Polycarpou M.: Security issues in drinking water distribution networks. Proc. of the International Workshop on Computational Intelligence in Security for Information Systems CISIS’08 Advances in Soft Computing, vol. 53, 2009, pp. 69- 76.
• [21] Eliades D., Polycarpou M.: Security of water infrastructure systems critical information infrastructure security lecture notes in computer science, vol. 5508, 2009, pp. 360-367.
• [22] Gatel D., Servais P., Block J.C., Bonne P., Cavard J.: Microbiological water quality management in the Paris suburbs distribution system. Aqua, vol. 49, no. 5, 2000, pp. 231-241.
• [23] Geldreich E.E.: Microbial quality of water supply in distribution systems. CRC Lewis Publishers, London 1996.
• [24] Ghimire S.R., Barkdoll B.D.: A heuristic method for water quality sensor location in a municipal water distribution system: Mass related based approach. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [25] Ghimire S.R., Barkdoll B.D.: Heuristic method for the battle of the water network sensors: Demand-based approach. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [26] Grimmefalt J., Johansson C.: Sampling for determination of the drinking water quality in Goteborg's distribution system, 6 Special Subject. IWSA World Congress, Madrid 1997, pp. SS6-4-SS6-7.
• [27] Guan J., Aral M.M., Maslia M.L., Grayman W.M.: Optimization model and algorithms for design of water sensor placement in water distribution systems. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [28] Gueli R.: Predator-prey model for discrete sensor placement. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [29] Guidelines for drinking-water quality, 2nd ed., vol. 1., Recommendations. WHO, 2004.
• [30] Harmant P., Nace A., Kiene L., Fotoohi F.: Optimal supervision of drinking water distribution network. ASCE 29th Annual Water Resources Planning and Management Conference, 1999, pp. 52-60.
• [31] Hermanowicz W., Dojlido J., Dożańska W., Koziorowski B.: Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków, wyd. 2. Arkady, Warszawa 1999.
• [32] Huang J.J., McBean E.A., James W.: Multiobjective optimization for monitoring sensor placement in water distribution systems. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [33] Isovitsch S.L., VanBriesen J.M.: Sensor placement and optimization criteria dependencies in a water distribution system. Journal of Water Resources Planning and Management, no. 134(2), 2008, pp. 186-196.
• [34] Kessler A., Ostfeld A., Sinai G.: Detecting accidental contaminations in municipal water networks. ASCE Journal of Water Resources Planning and Management, no. 124(4), 1998, p. 192-198.
• [35] Kowalski D.: Nowe metody opisu struktur sieci wodociągowych do rozwiązywania problemów ich projektowania i eksploatacji. PAN, Komitet Inżynierii Środowiska, Monografie, vol. 80, 2011.
• [36] Kowalski D., Kowalska B.: Fractal classification of water supply networks. Proc. of 11th International Conference on Computing and Control for the Water Industry Urban Water Management: Challenges and Opportunities. Exeter, 5-9.09.2011, vol. 3, pp. 323-329.
• [37] Kowalski D., Kwietniewski M.: Problem lokalizacji punktów pomiarowych w systemach monitoringu sieci wodociągowych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, nr 6/2009, s. 24-29.
• [38] Kowalski D., Kowalska B., Kwietniewski M.: Metoda lokalizacji punktów pomiaru jakości wody w systemie monitoringu sieci wodociągowej. Ochrona Środowiska, nr 3/2013.
• [39] Kowalski D., Kowalska B., Kwietniewski M.: Propozycja metodyki oceny prawidłowości lokalizacji punktów monitorowania jakości wody w sieciach wodociągowych. Mat. konf. GIS „Modelowanie i monitoring w zarządzaniu systemami wodociągowymi i kanalizacyjnymi”. Warszawa 04.04.2011, s. 87-90.
• [40] Krause A., Leskovec J., Guestrin C., VanBriesen J., Faloutsos C.: Efficient sensor placement optimization for securing large water distribution networks. Journal of Water Resources Planning and Management, vol. 134, no. 6, 2008, p. 516-526.
• [41] Krause A., Leskovec J., Isovitsch S., Xu J., Guestrin C., VanBriesen J., Small M., Fischbeck P.: Optimizing sensor placements in water distribution systems using submodular function maximization. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [42] Kumar A., Kansal M.L., Arora G.: Identification of monitoring stations in water distribution system. ASCE Journal of Environmental Engineering, no. 123(8), 1997, pp. 746-752.
• [43] Kumar A., Kansal M.L., Arora G., Ostfeld A., Kessler A.: Detecting accidental contaminations in municipal water networks. ASCE Journal of Water Resources Planning and Management, no. 125(5), 1999, pp. 308-310.
• [44] Kwietniewski M. (red.), Gębski W., Wronowski N.: Monitorowanie sieci wodociągowych i kanalizacyjnych. Wyd. Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Monografie, seria: Wodociągi i Kanalizacja, nr 10, Warszawa 2005.
• [45] Kwietniewski M., Chudzicki J., Kowalski D., Kowalska B., Miszta-Kruk K., Wąsowski J.: Metodologia zarządzania jakością i ciśnieniem wody w sieciach wodociągowych. Projekt Badawczy Własny nr 4942/B/T02/2008/34 realizowany w latach 2008-2011. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, nr 3/2012, s. 117-121
• [46] Kwietniewski M., Kowalska B., Wąsowski J., Chudzicki J., Kowalski D., Miszta- Kruk K.: Problematyka zarządzania jakością wody w systemach dystrybucji. Gaz Woda i Technika Sanitarna, nr 3/2012, s. 117-121
• [47] Lee B., Deininger R.: Optimal locations of monitoring stations in water distribution system. ACSE Journal of Environmental Engineering, no. 118(1), 1992, pp. 4-16.
• [48] Leksykon naukowo-techniczny, wyd. piąte poprawione i uzupełnione. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2001.
• [49] Levi Y.: Maintaining water quality in distribution systems. Mat. Międzynarodowej Konferencji „Zaopatrzenie w Wodę Miast i Wsi”, Poznań 1996, pp. 225-235.
• [50] Matia L., Canto J., Lupon J., Salvatella N., Prats N., Alonso J.: The integral management of quality control in a public water supply through automatic control stations: A future perspective, 13 Special Subject. IWSA World Congress, Madrid 1997, pp. SS13-9-SS13-13.
• [51] Ostfeld A., Salomons E.: Optimal early warning monitoring system layout for water networks security: Inclusion of sensors sensitivities and response delays. Civil Engineering and Environmental Systems, no. 22(3), 2005, pp. 151-169.
• [52] Ostfeld A., Salomons E.: Optimal layout of early warning detection stations for water distribution systems security. ASCE Journal of Water Resources Planning and Management, no. 130(5), 2004, p. 377-385.
• [53] Ostfeld A., Salomons E.: Securing water distribution systems using online contamination monitoring. ASCE Journal of Water Resources Planning and Management, no. 131(5), p. 402-405
• [54] Ostfeld A., Salomons E.: Sensor network design proposal for the battle of the water sensor networks BWSN. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [55] Ostfeld A., Kessler A., Goldberg I.: A contaminant detection system for early warning in water distribution networks. Engineering Optimization, no. 36(5), 2004, pp. 525-538.
• [56] Ostfeld A. et al.: The battle of the water sensor networks (BWSN): A design challenge for engineers and algorithms. Journal of Water Resources Planning and Management, no. 134(6), 2008, pp. 556-568.
• [57] PN-EN 805:2002: Zaopatrzenie w wodę. Wymagania dotyczące systemów zewnętrznych i ich części składowych.
• [58] PN-EN ISO 5667-1:2008: Wytyczne dotyczące opracowywania programów pobierania próbek i technik pobierania próbek.
• [59] Preis A., Ostfeld A.: Multiobjective sensor design for water distribution systems security. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [60] Propato M., Piller O.: Battle of the water sensor networks. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [61] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. w sprawie wymagań dotyczących jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz.U. z dnia 06.04.2007 r. Nr 61, poz. 417 z późn. zm.).
• [62] Shastri Y., Diwekar U.: Sensor placement in water networks: A stochastic programming approach. ASCE Journal of Water Resources Planning and Management, no. 132(3), 2006, pp. 192-203.
• [63] Studziński J.: Wspomaganie zarządzania miejskim przedsiębiorstwem wodociągowym za pomocą informacji z systemów monitoringu i mapy numerycznej. Polskie Stowarzyszenie Zarządzania Wiedzą, seria: Studia i Materiały, nr 14, 2008.
• [64] Sudoł M.: Monitoring jakości wody w systemie jej dystrybucji w świetle danych literaturowych i badań własnych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, nr 3/2007, s. 17-22.
• [65] Sudoł M.: Monitoring sieci wodociągowej dla potrzeb oceny niezawodności dostawy wody o wymaganej jakości. Politechnika Warszawska, Warszawa 2005.
• [66] Trachtman G.B.: A ‘strawman’ common sense approach for water quality sensor site selection. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.
• [67] Tryby M.E., Uber J.G.: Representative water quality sampling in water distribution systems. ASCE World Water and Environmental Resources Congress 2001, pp. 404-413.
• [68] Tryby M.E., Boccelli D.L., Uber J.G., Rossman L.A.: Facility location model for booster disinfection of water supply networks. ASCE Journal of Water Resources Planning and Management, no. 128(5), 2002, p. 322-333.
• [69] Uber J., Janke R., Murray R., Meyer P.: Greedy heuristic methods for locating water quality sensors in distribution systems. Critical Transitions in Water and Environmental Resources Management, 2004, pp. 1-9.
• [70] Urbaniak A., Winkowski M.: Monitorowanie pracy sieci wodociągowej na obszarze aglomeracji miejskiej. Mat. Międzynarodowej Konferencji „Zaopatrzenie w wodę miast i wsi”, Poznań 1996, s. 619-635.
• [71] Ustawa o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i odprowadzaniu ścieków. Dz.U. z dnia 13 lipca 2001 r. Nr 72, poz. 747.
• [72] Watson J.-P., Greenberg H.J., Hart W.E.: A multiple-objective analysis of sensor placement optimization in water networks. ASCE World Water and Environmental Resources Congress, 2004, pp. 456-465.
• [73] Watson J.-P., Hart W.E., Berry J.W.: Scalable high-performance heuristics for sensor placement in water distribution networks. ASCE World Water and Environmental Resources Congress, 2005, pp. 282-29.
• [74] Weickgenannt M., Kapelan Z., Blokker M., Savic D.: Optimal sensor placement for the efficient contaminant detection in water distribution systems. Water Distribution Systems Analysis, 2008, pp. 1-10.
• [75] Weickgenannt M., Kapelan Z., Blokker M., Savic D.A.: Risk-based sensor placement for contaminant detection in water distribution systems. ASCE Journal of Water Resources Planning and Management Division, no. 136 (6), 2010, pp. 629-636.
• [76] Woo H.-M., Yoon J.-H., Choi D.-Y.: Optimal monitoring sites based on water quality and quantity in water distribution systems. ASCE World Water and Environmental Resources Congress, 2001, p. 397-405.
• [77] Wu Z.Y., Walski T.: Multiobjective optimization of sensor placement in water distribution systems. Proc. of 8th Annual Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati 2006.