Assessment of Pressure-Pipe Life Expectancy and Pressure-Leakage Relationships in the Water Distribution System in Bergen, Norway. A Case Study

Abstract

Hyppige rørfeil og vannlekkasje utgjør en stor trussel for vannverkenes arbeid med å sikre en kontinuerlig og tilstrekkelig vannforsyning. Hydraulisk trykk som drivkraft i vanndistribusjonsnett regnes som en viktig driver ved rørbrudd og vannlekkasje og blir sett på som en viktig variabel for å bestemme forventet levetid for rør. Forventet levetid for rør og rørfeil henger sammen gjennom en kompleks sammenheng mellom en rekke fysiske og miljømessige faktorer. Når det gjelder lekkasje, er den hovedsakelig relatert til størrelsen på åpningen eller sprekken, trykket, jordforholdene og elastisiteten til rørmaterialet. I denne studien ble disse relasjoner trykk– forventet levetid – lekkasje undersøkt ved hjelp av en real-verden case-studie i Bergen. Flere regresjonsmodeller ble utviklet for å undersøke sammenhengen mellom trykk og forventet levetid for rør. Et stort datasett, som inkluderer servicerør og hovedrør som er rammet av ett eller flere brudd tidligere i Bergen, ble samlet inn for modellutvikling og validering. I tillegg ble det satt opp en hydraulisk modell for å undersøke sammenhengen mellom trykk og vannlekkasje ved å regulere trykket ved hjelp av ulike reguleringsmetoder. Data fra SCADA-systemet ble samlet inn, og komponentene for minimum nattforbruk (MNF) ble beregnet for å utvikle og kalibrere denne hydrauliske modellen for et utvalgt district metered area (DMA) i Bergen. Eiendoms- og adressedata ble brukt for en optimal fordeling av forbruket, og lekkasje ble modellert som en trykkavhengig komponent. Resultatene fra denne studien viser en direkte sammenheng mellom på den ene siden trykk og lekkasje, og trykk og forventet levetid på røret på den andre. Disse funnene kan forbedre effektiviteten til algoritmer for prioritering av rørutskifting og renovering. De kan også hjelpe til med å implementere passende trykkstyringsmetoder for å redusere lekkasje.

Frequent pipe failures and water leakage pose a major threat to the water utilities work in securing a continuous and adequate water supply. Hydraulic pressure as a driving force in water distribution networks is considered an important driver in pipe breakage and water leakage and is seen as a major variable in determining the life expectancy of pipes. Pipe life expectancy and pipe failures are related through a complex correlation between a host of physical and environmental factors. As for leakage, it is mainly related to the size of the opening or crack, the pressure, the soil conditions, and the elasticity of the pipe material. In this study, these relationships pressure – life expectancy – leakage were investigated using a real-world case study in Bergen. Several regression models were developed to investigate the relationship between pressure and pipe life expectancy. A large data set, that included the services and mains that experienced one or more breaks in the past in the city of Bergen, was collected for model development and validation. In addition, a hydraulic model was set up to investigate the relationship between pressure and water leakage by regulating the pressure using different management methods. Data from the SCADA system were collected, and the minimum night flow (MNF) components were calculated to develop and calibrate this hydraulic model for a selected district metered area (DMA) in Bergen. Property and address data was used for an optimal distribution of consumption, and leakage was modelled as a pressure-dependent component. The results from this study demonstrate a direct relationship between, on the one hand, pressure and leakage, and pressure and pipe life expectancy, on the other. These findings can improve the efficiency of pipe replacement and renovation prioritization algorithms. They can also aid in deploying appropriate pressure management methods to reduce leakage.