Leak Localization with the Dual Model on a Real-World Water Distribution System

Abstract

I gjennomsnitt forsvinner 23 % av drikkevannet i Europa før det kommer frem til forbrukeren. For å redusere disse tapene og de negative konsekvensene de medfører, omstiller mange kommuner sin lekkasjehåndteringsstrategi fra å kun reparere rapporterte lekkasjer til å aktivt søke etter lekkasjer i distribusjonssystemet. Modellbaserte metoder tilrettelegger for denne omstillingen ved å kombinere data fra sensorer med hydrauliske modeller, og har de siste tretti årene blitt nøye undersøkt, samt oppnådd lovende resultater i flere forskjellige studier. Majoriteten av disse studiene har imidlertid blitt gjennomført på virtuelle nettverk, eller på små eksisterende nettverk. Denne masteroppgaven tar sikte på å demonstrere mulighetene for å redusere lekkasjelokalisasjonstiden ved å benytte den nylig utviklede Dual Modell på ekte måledata. Dual Modell består av å legge til virtuelle reservoar til eksisterende trykkmålingsnoder, med det formål om å transformere trykktapet forårsaket av lekkasjer til virtuelle vannstrømmer med tydeligere lekkasjesignal. Resultater viser at Dual Modell er kapabel til å lokalisere majoriteten av lekkasjene, med 21 av totalt 27 lekkasjer funnet med en falsk positiv fraksjon under 2 %. Det viktigste funnet er imidlertid at Dual Modell kan håndtere usikre input-parametere. Modellen oppnådde lovende resultater uten ruhetskalibrering, og med få trykksensorer, som er svært fordelaktig for kommuner med mangelfull informasjon om tilstanden på sine vannsystemer. I tillegg ble Dual Modell sammenlignet med en annen modellbasert metode, Korrelasjonsmodellen, der det kom frem at Dual Modell oppnådde bedre og mer stabile resultater. De viktigste begrensningene til modellen er behovet for å korrigere høydene på nodene, som var avgjørende for å lokalisere lekkasjer mindre enn 2 L/s og at modellens prestasjonsevne var avhengig av lekkasjens beliggenhet. Fremtidig arbeid burde derfor undersøke hvorfor modellen er sensitiv til hvor lekkasjen befinner seg, samt teste modellen på andre vanndistribusjonssystemer med ulike egenskaper. I tillegg er det nødvendig med en grundig analyse av input-parameterne til modellen, for å bestemme og sammenligne viktigheten av disse.

On average, 23 % of drinking water in Europe is lost before reaching the consumer. To reduce these losses and the negative impacts they entail, water utilities are transitioning from a passive approach where only reported leaks are fixed to actively look for leaks in their distribution systems. The model-based approach enables this transition by combining sensor data with hydraulic models and has been thoroughly investigated for the past thirty years, obtaining promising results in several different case studies. However, most of these studies have been performed either in a virtual environment or on small existing networks. This paper aims to display the possibility of reducing the leak localization time using the recently developed Dual Model on actual measurement data. The Dual Model is created by adding virtual reservoirs to existing pressure measurement nodes, transforming the pressure drop caused by leaks into virtual leak flows that amplify the leak signal. Results show that the Dual Model can localize most leaks, with 21 out of 27 leaks giving a false positive fraction below 2 %. Furthermore, the Dual Model manages to handle uncertain input parameters, obtaining promising results without a proper pipe roughness calibration and few pressure sensors. For water utilities dealing with fragmented information about the system's condition, this attribute is highly advantageous. Another model-based approach, the Correlation Model, was compared with the Dual Model for validation purposes and was generally outperformed. The main limitation of the Dual Model is the need to correct the elevation of the nodes, which was decisive in localizing leaks smaller than 2 L/s and that the model was sensitive to the leak location. Future work should explore why the Dual Model is sensitive to the leak's location and test the Dual Model on other real systems with different characteristics. In addition, an in depth-analysis comparing the different input parameters is needed.