Modeling of water age changes in water distribution systems in time and space

• Autorzy: Trębicka Agnieszka

Identyfikatory

DOI

10.34659/eis.2022.83.4.498

Warianty tytułu

PL

Modelowanie zmian wieku wody w systemach dystrybucji wody w czasie i przestrzeni

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a particularly important research variant in the process of modelling water distribution systems (WDS), which is the age of water. The age of the water in the pipes is a parameter that determines the freshness of the water. The main goal of the presented research was to analyse changes in water age by observing the basic parameters: pressure and water flow. As a result of the assumed simulations, potential places of secondary contamination were distinguished. The result of solving the situation was the introduction of all works aimed at eliminating and improving the negative changes by much more frequent monitoring of water in this area for physicochemical and bacteriological properties and regular flushing of pipelines. The research is carried out based on the mathematical model of the water supply network. The Epanet software is used as a research tool, which allows modelling changes in the age of water in the entire water distribution system over time. The basis of the conducted research became the time factor, which plays a particularly important role in the process of managing the water distribution system. Taking into account the time, it was observed how much water remains on a given section from the moment it flows from the inlet and is mixed with water already present throughout the network. A number of simulation options were analysed in terms of the operation of the water distribution system, where the key problem was water stagnation. It should be noted that stagnation of water is particularly dangerous in the case of WDS, the obtained results showed visible places on the tested model. Simulations lasting more than 8, 10 days showed a clear deterioration in its quality. The above studies are of particular importance from the point of view of managing the efficiency of the water supply network. The analysis of water in water supply systems, stagnating and thus ageing, shows that the efficiency of the system significantly decreases. The variability of conditions in the water distribution system also makes the performance of WDS, and especially of pumping units, variable.

PL

W artykule przedstawiono szczególnie ważny wariant badawczy w procesie modelowania systemów dystrybucji wody (SDW), jakim jest wiek wody. Wiek wody w rurach jest parametrem, który określa świeżość wody. Głównym celem przedstawionych badań była analiza zmian wieku wody poprzez obserwację podstawowych parametrów: ciśnienia i przepływu wody. W rezultacie założonych symulacji wyodrębnione zostały potencjalne miejsca wtórnego zanieczyszczenia. Wynikiem rozwiązania zaistniałej sytuacji było wprowadzenie wszelkich prac, mających na celu wyeliminowanie i ulepszanie zaistniałych negatywnych zmian poprzez: znacznie częstsze monitorowanie wody na tym obszarze pod kątem właściwości fizykochemicznych i bakteriologicznych oraz regularne płukanie rurociągów. Badania prowadzono w oparciu o model matematyczny sieci wodociągowej. Jako narzędzie badawcze wykorzystano Program EPANET, które umożliwia modelowanie zmian wieku wody w całym systemie dystrybucji wody w czasie. Podstawą przeprowadzonych badań stał się czynnik czasu, który pełni szczególnie ważną funkcję w procesie zarzadzania systemem dystrybucji wody. Biorąc pod uwagę czas, zaobserwowano, ile wody pozostaje na danym odcinku od momentu, w którym spływa ona z ujęcia i jest mieszana z wodą już obecną w całej sieci. Analizowano szereg wariantów symulacyjnych pod kątem działania systemu dystrybucji wody, gdzie kluczowym problemem była stagnacja wody. Należy zaznaczyć, że stagnacja wody jest szczególnie niebezpieczna w przypadku SDW, a uzyskane wyniki wykazały widoczne jej miejsca na badanym modelu. Przy symulacjach trwających więcej niż 8, 10 dni zauważono, wyraźne pogorszenie jej jakości. Wyodrębniono potencjalne miejsca wtórnego zanieczyszczenia. Powyższe badania mają szczególne znaczenie z punktu widzenia zarządzania efektywnością działania sieci wodociągowej. Przeprowadzona analiza wody w systemach wodociągach, ulegającej stagnacji, a tym samym starzejąca się, pokazuje że efektywność pracy systemu znacznie spada. Zmienność warunków w systemie dystrybucji wody sprawia również, że wydajność pracy SDW, a zwłaszcza jednostek pompujących staje się zmienna.

Słowa kluczowe

EN

mathematical model; water distribution system; bacteriological properties; water age; fresh water flows

PL

model matematyczny; system dystrybucji wody; wiek wody; właściwości fizykochemiczne; właściwości bakteriologiczne; przepływ świeżej wody

• Wydawca: Polskie Stowarzyszenie Ekonomistów Środowiska i Zasobów Naturalnych
• Czasopismo: Ekonomia i Środowisko
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 4
• Strony: 91--102
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Trębicka Agnieszka

• Bialystok University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Environmental Sciences, Department of Water Supply and Sewerage, Wiejska Street 45 E, 15-351 Białystok, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-0400-0396

Bibliografia

• Blokker, E. J. M., Furnass, W. R., Machell, J., Mounce, S. R., Schaap, P. G., & Boxall, J. B. (2016). Relating Water Quality and Age in Drinking Water Distribution Systems Using Self-Organising Maps. Environments, 3(2), 10. https://doi.org/10.3390/environments3020010
• Butler, D., Ward, S., Sweetapple, C., Astaraie-Imani, M., Diao, K., Farmani, R., & Fu, G. (2016). Reliable, resilient and sustainable water management: the Safe & SuRe approach. Global Challenges, 1(1), 63-77. https://doi.org/10.1002/gch2.1010
• Diao, K. G., Barjenbruch, M., & Bracklow, U. (2010). Study on the Impacts of Peaking Factors on a Water Distribution System in Germany. Water Supply, 10(2), 165-172. https://doi.org/10.2166/ws.2010.168
• Diao, K. G., Zhou, Y. W., & Rauch, W. (2012). Automated creation of district metered areas boundaries in water distribution systems. Journal of Water Resources Planning and Management, 139, 184-190.
• Filion, Y. (2008). Impact of Urban Form on Energy Use in Water Distribution Systems. Journal of Infrastructure Systems, 14(4), 337-346. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1076-0342(2008)14:4(337)
• Filion, Y., Adams, B., & Karney, B. (2007). Correlation of Demands in Water Distribution Network Design. Journal of Water Resources Planning and Management, 133(2), 137-144. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(2007)133:2(137)
• Gora, S. (2011). Water Quality and Demand on Public Water Supplies with Variable Flow Regimes and Water Demand. Canada: CBCL Limited: Halifax, NS.
• Kanakoudis, V., & Gonelas, K. (2019). Accurate water demand spatial allocation for water networks modelling using a new approach. Urban Water Journal, 12(5), 362-379. https://doi.org/10.1080/1573062X.2014.900811
• Kurek, W., & Ostfeld, A. (2013). Multi-Objective Optimization of Water Quality, Pumps Operation, and Storage Sizing of Water Distribution Systems. Journal Environmental Management, 115, 189-197. https://10.1016/j.jenvman.2012.11.030
• Machell, J., & Boxall, J. (2014). Modeling and Field Work to Investigate the Relationship between the Age and the Quality of Drinking Water at Customer’s Taps. J. Water Resour. Plan. Manag., 138(6), 624-638.
• Marchi, A., Salomons, E., Ostfeld, A., Kapelan, Simpson, A. R. et al. (2012). The Battle of the Water Networks II (BWN–II). Journal of Water Resources Planning and Management, 140(7).
• Masters, S., Parks, J., Atassi, A., & Edwards, M.A. (2015). Distribution System Water Age Can Create Premise Plumbing Corrosion Hotspots. Environmental Monitoring and Assessment, 187, 559. DOI: 10.1007/s10661-015-4747-4
• Muranho, J., Ferreira, A., Sousa, J., Gomes, A., & Sá Marques, A. (2012). WaterNetGen: an EPANET extension for automatic water distribution networks models generation and pipe sizing. Water Science & Technology Water Supply, 12(1), 117-123. DOI:10.2166/ws.2011.121
• Ostfeld, A., Salomons, E., Ormsbee, L., Uber, J. G., Bros, C. M., Kalungi, P., Burd, R., Zazula-Coetzee, B., Belrain, T., Kang, D., et al. (2011). The Battle of the Water Calibration Networks (BWCN). J. Water Res. Plan. Manag. 138(5), 523-532.
• Preis, A., Allen, M., & Whittle, A. J. (2010). On-Line Hydraulic Modeling of a Water Distribution System in Singapore. Proceedings of Water Distribution System Analysis, USA.
• Prest, E. I., Schaap, P. G., Besmer, M. D., & Hammes, F. (2021). Dynamic Hydraulics in a Drinking Water Distribution System Influence Suspended Particles and Turbidity, But Not Microbiology. Water, 13(1), 109. https://doi.org/10.3390/w13010109
• Rossman, L. A. (2000). EPANET 2 Users Manual. Cincinnati: U.S. Environmental Protection Agency.
• Shokoohi, M., Tabesh, M., Nazif, S., & Dini, M. (2017). Water Quality Based MultiObjective Optimal Design of Water Distribution Systems. Water Resour. Manag., 31(1), 93-108.
• Sitzenfrei, R., Möderl, M., Hellbach, C., & Rauch, W. (2011). Application of a Stochastic Test Case Generation for Water Distribution Systems. Proceedings of the World Environmental and Water Resources Congress, USA, 113-120.
• Sitzenfrei, R., Möderl, M., Mair, M., & Rauch, W. (2012). Modeling Dynamic Expansion of Water Distribution Systems for New Urban Developments. Proceedings of the World Environmental and Water Resources Congress, USA, 3186-3196.
• Tamminen, S., Ramos, H., & Covas, D. (2008). Water Supply System Performance for Different Pipe Materials Part I: Water Quality Analysis. Water Resour. Manag., 22, 1579-1607. https://doi.org/10.1007/s11269-008-9244-x
• Walski, T. M., Chase, D. V., Savic, D. A., Grayman, W., Beckwith, S., & Koelle, E. (2003). Advanced Water Distribution Modeling and Management. Civil and Environmental Engineering and Engineering Mechanics Faculty Publications. Paper 18. http://ecommons.udayton.edu/cee_fac_pub/18
• World Health Organization. (2017). Guidelines for Drinking-Water Quality: Fourth Edition Incorporating the First Addendum. Geneva: World Health Organization.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).