Water Loss Management and Data Quality Assessment in Medium-Sized Water Distribution Systems in Norway

Abstract

Den urbane populasjonen er estimert til å øke med 2.5 milliarder innen 2050. Urbaniseringen fører til mer kompliserte ledningsnett som blir vanskeligere å analysere og håndtere. Den økende kompleksiteten sammen med aldringen av ledningsnettet har ført til økt fokus på å redusere lekkasjer i ledningsnettet. Lekkasjekontroll kan gjennomføres på flere forskjellige måter. En av metodene innenfor lekkasjekontroll innebærer å opprette målesoner i ledningsnettet ved å måle vannføringen inn og ut av sonen slik at vannbalansen for hver sone kan beregnes. Metoden muliggjør estimering av lekkasjetapet i målesonene og bidrar til å forenkle lokaliseringen av lekkasjer.

Denne masteroppgaven har som formål å undersøke om man kan prioritere målesoner for tiltak til å redusere lekkasjer ved å vurdere ulike lekkasjeindikatorer og datakvalitet. Oppgaven skal undersøke vanntapet i målesonene til Arendal kommune og vurdere ytelsen til disse ved å utføre en multikriterie-analyse basert på sonenes kvalitet. Arendal kommune sliter med store andeler lekkasjer i ledningsnettet og ønsker å redusere lekkasjetapet fra de nåværende 47 % til et mer bærekraftig lekkasjetap på 30 % innen 2025. I tillegg vil et forslag til å forbedre de nåværende målesonene bli presentert.

For å utføre denne oppgaven kreves det store mengder med måledata. Det ble utført en data analyse av måledata hentet direkte fra kommunens Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)-system. Analysen av måledataen avslørte at det finnes en del dårlig måledata noe som vil påvirke resultatkvaliteten. Videre ble vanntapet i målesonene beregnet ved hjelp av International Water Association (IWA) vannbalanse metoden og minimums nattforbruk (MNF) metoden.

Resultatene viste at lekkasjetapet i noen av de mindre sonene er like dårlig per kilometer ledning som i noen av de større. Samtidig presterte de største sonene langt bedre enn mange av de andre. Metodene brukt i beregningene krevde en del antagelser som påvirker påliteligheten til resultatene. Spesielt stilles det spørsmål til datakvaliteten til målesonene med negative lekkasjeestimater. Til tross for dette kan de resterende resultatene gi en indikasjon på hvordan lekkasjesituasjonen er.

Deretter ble kvaliteten til målesonene beregnet ved hjelp av en multikriterie-analyse. De mindre målesonene ble høyest rangert i denne analysen, der Høyåshei scoret høyest poengsum. Tromøysundet ble lavest rangert av alle sonene og inngrep for å heve kvaliteten i målesonen bør prioriteres. Videre ble rangeringen fra denne analysen ble sammenlignet med en rangering fra resultatene i MNF metoden. Et av funnene var blant annet at målesonen Romstølen, som er en av sonene med høyest poengsum i kvalitetsanalysen, er den målesonen med nest-høyest lekkasjetap av alle målesonene.

Til slutt ble et forslag til nye og bedre målesoner presentert. Målesonene ble laget basert på flere kriterier, der det viktigste kriteriet er kostnad. Dette resulterte i 16 nye målesoner. Flere av de store målesonene har blitt kraftig redusert både i antall person ekvivalenter (PE) i sonen og total ledningslengde i nettverket. Dette inkluderer Tromøysundet har blitt anbefalt å heve kvaliteten i sonen. Forslaget kan bidra til en bedre oversikt over forbruket i ledningsnettet og hjelpe til å avgrense lekkasjer.

Basert på resultatene i denne studien er konklusjonen at det er mulig å prioritere målesoner for lekkasjereduserende tiltak. Ved å utføre en benchmarking av målesonene kan sonen med det høyeste lekkasjetallet bli prioritert. Videre kan en rangering basert på sonekvalitet bli brukt til å prioritere soner for tiltak for å heve kvaliteten til selve sonen. Dog vil disse prosessene være avhengig av store mengder data og data av god kvalitet.

The urban population is estimated to increase by 2.5 billion before the end of 2050. Urbanization leads to more complicated Water Distribution Networks (WDNs) that become more difficult to analyze and manage. The increasing complexity combined with the aging of the pipeline network has led to an increased focus on reducing leakage in the network. With leakage management, the leakages can be managed with different tools and methods. A method within leakage management includes creating district metered areas (DMAs) in the WDN by measuring the flow in and out of the zone to calculate the water balance for each zone. The method allows for estimating the water loss in the DMAs and delimits the locations of the leakages.

This master's thesis aims to study whether the municipality can prioritize DMAs for water loss intervention based on different leakage indicators and data quality. The thesis will investigate the water loss in the DMAs of Arendal municipality and assess their performance by conducting a multi-criterion analysis based on the quality of the zones. Arendal municipality struggles with significant amounts of leakages in their WDN. They want to reduce the water loss from the current 47 % to a more sustainable water loss of 30 % by 2025. Additionally, a proposal for improving the current DMAs will be presented.

To perform this task, massive amounts of measurement data were required. The data was retrieved directly from the municipality's Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) system, after which a data analysis of the measurement data was performed. The analysis revealed that there is some insufficient measurement data which will affect the reliability of the results. Furthermore, the water loss in the DMAs was calculated using the International Water Association (IWA) water balance method and the Minimum Night Consumption (MNF) method.

The results revealed that the water loss is equally bad in some of the larger and smaller zones when comparing the loss per kilometer main pipe in the DMA. At the same time, the largest zones performed better than many of the others DMAs. However, these methods required many assumptions that affect the reliability of the results. In particular, the data quality in the DMAs with negative values should be subject to further investigations. Despite this, the remaining results may provide a rough indication of the leakage performance in the zones.

After that, the quality of the DMAs was estimated using a multi-criteria analysis. The smaller districts were the highest ranked in this analysis, where Høyåshei was placed first. Tromøysundet was ranked last in the analysis and should be prioritized for interventions to raise the quality of the DMA. Furthermore, the ranking from this analysis was compared with a ranking from the results of the MNF method. The comparison revealed that Romstølen, which is ranked 7th in the quality analysis, is the measurement zone with the second-highest leakage of all the DMAs.

Finally, a proposal for new and improved DMAs was suggested. The zones were made based on several criteria, where the most important criterion was that creating a zone requires low-cost intervention. This resulted in 16 new DMAs. Several large districts were significantly reduced in person equivalents (PE) and total pipe length in the zone. This includes Tromøysundet, which has been recommended to improve its quality. The proposal could contribute to obtain a better overview of the WDNs consumption and help to delimit leakages to a greater extent than previously.

Based on the results of this study, the conclusion is that it is possible to prioritize DMAs for water loss interventions. By performing a benchmarking of the zones, the DMA with the most leakages can be prioritized. Furthermore, a ranking based on zone quality can be used to prioritize DMAs for interventions to increase the quality of the zone. However, these processes will rely on significant amounts of data and good data quality.