Resilience of Water Distribution Systems Exposed to Substance Intrusions

Abstract

There is an emerging realisation in the water industry that improving resilience enhances the sustainability of water distribution systems exposed to an uncertain future with often unavoidable failures. A successful adaptation of resilience-enhancing strategies relies on the effectiveness of the water distribution system’s ability to resist, absorb, and restore its functionality exposed to the effects of stress. Therefore, a deeper understanding of the underlying mechanisms promoting such abilities is of great relevance for decision-makers involved with strategic planning.

This study evaluates resilience with respect to drinking-water quality objectives. Through a simulation study, failure is quantified based on substance intrusion and the propagation of pollutants in the water distribution networks. Resilience is measured as the system’s degree of performance under progressively increasing disturbance. This can be simulated through scenarios with an increasing mass of substance injected into the network. Random failure sequences are adapted to the failure mode as a multivariate stochastic modeling approach. A random selection of source point inputs addresses spatial uncertainties, while start time inputs address temporal uncertainties of the failure mode. The number of nodes used as a source point presents the level of stress inflicted on the water distribution system.

Resilience is influenced by the installed technologies and how they are connected. Yet, relatively few studies have addressed the actual relationship between resilience and topological characteristics of water distribution networks. Based on network design constraints and statistical parameters, this study presents an automatic network generation procedure to produce network variants with unique sets of topological attributes. The network variants are exposed to the aforementioned random failure sequences, and their resilience is evaluated based on 50 global failure indicators. Strong positive correlations were only observed between the rapidity of multiple failure metrics and certain topological attribute indicators. Moderate to weak correlations were observed between the other global failure metrics and some statistical properties of the topological layouts. The results indicate that there is a relationship between network design and the resilience of the generated network variants.

Motstandsdyktighet er et begrep av voksende betydning i vann- og avløpssektoren. For en sektor på vei inn i en usikker fremtid preget av ofte uunngåelige svikter vil tiltak for økende motstandsdyktighet være ett viktig redskap for sikring av bærekraftige drikkevannssystem. Det vil være helt essensielt å fremme graden av drikkevannssystemene sin evne til å motstå, absorbere, og gjenopprette sin funksjonalitet selv utsatt for store mengder stress. Av den grunn, vil en dypere forståelse av de underliggende mekanismene som fremmer slike evner være av stor verdi for beslutningstakere involvert med strategisk planlegging av drikkevannssystemer.

Denne masteroppgaven undersøker motstandsdyktigheten av drikkevannssystemer utsatt for forringelse av drikkevannskvalitet. Dette er gjennomført ved å simulere inntrengende giftstoff og dens utbredelse i modeller av drikkevannsystemer. Ettersom motstandsdyktighet er ett mål på drikkevannssystemet sin evne til å opprettholde sin funksjonalitet utsatt for stadig økende stress, kan det fremstilles gjennom en rekke simuleringer med økende mengde giftstoff tilført nettverket. Metoden for «random failure sequences» er tilpasset feil mekanismen som en multivariat stokastisk modellerings metode. Variabler for start tid er tilfeldig valgt for å betrakte tidsavhengige usikkerheter av feil mekanismen, mens giftstoffkilde er tilfeldig valgt for å betrakte romlige usikkerheter. Antall giftstoffkilder brukt i hver iterasjon er ekvivalent med mengde giftstoff tilført nettverket.

Motstandsdyktigheten er påvirket av de installerte teknologiene og hvordan disse teknologiene er koblet opp mot hverandre. Til tross for dette, relativt få studier har sett på det faktiske forholdet mellom motstandsdyktighet og topologiske trekk av utformingen av drikkevannsnettverk. Som en del av denne masteroppgaven, basert på statistiske antagelser og designprinsipper, er en automatisk nettverk generator utviklet. De produserte nettverksvariantene er av unik topologi målt med statistiske indikatorer fra grafiteori. Videre er nettverksvariantene utsatt for «random failure sequences» og motstandsdyktighet er målt med «global failure indicators». En sterk positive korrelasjon er observert mellom hastigheten av giftstoffene sin utbredelse og noen topologiske indikatorer. Andre aspekter av nettverkene sin funksjonalitet viser en svak til moderat korrelasjon til flere topologiske indikatorer. Resultatene gir en indikasjon på at det finnes en sammenheng mellom den topologiske utforming og motstandsdyktighet av de genererte nettverkene.