Graph theory approach for district metered areas design of looped water distribution networks with multiple sources

Water distribution networks (WDNs), especially in urban areas, have been usually designed as looped systems, where water can flow in more than one direction and demand nodes can be served through different paths. Even though looped WDN leads to relevant advantages, sometimes it may be usefule to divide WDNs into smaller parts called District Metered Areas (DMAs), which are areas in the network, independent from each other, isolated by the closure of valves or disconnection of pipes, whose inlet and outlet flows are metered. District metering has two main objectives: improving the network control in order to easily identify and reduce leakages and saving energy through a better pressure management. Several technical reports are available in literature, providing for guidelines and design criteria to take into account for a successful implementation of DMAs. Traditionally, the design of DMAs has been carried out by empirical or simulation assisted trial-and-error approaches, which contemplate only a limited number of possible alternatives and which are difficult to apply to large water distribution systems. In this thesis a new methodology is proposed, based on graph theory, for the design of DMAs into supply WDN with multiple sources, which are completely independent from the others and fed by their own source. It allows the generation of different solutions, possible different layouts of districts, which can be compared on the basis of performance indicators. Firstly, the maximum network division as possible into elementary DMAs (eDMA) is performed through a Breadth First Search analysis and Dijkstra's algorithm. Secondly, eDMAs are joined together in order to generate bigger districts and reduce their number. Lastly, a pump schedule optimization is carried out, with the aim to reduce energy consumption and operational costs. The application of the proposed methodology to a real water distribution supply system (Milan, Italy) proved its robustness and effectiveness to design DMAs for large and multisource looped networks. The results obtained show that the procedure makes possible to identify very good solutions in both terms of reliability and energy saving.

Le reti di distribuzione idrica sono progettate solitamente come sistemi fortemente interconnessi, in cui l'acqua può fluire in più direzioni e i nodi di domanda possono essere serviti attraverso itinerari diversi. Nonostante una rete di questo tipo comporti numerosi vantaggi, talvolta può essere conveniente suddividere la rete in District Metered Areas (DMA), ovvero delle aree all'interno della rete di distribuzione indipendenti l'una dall'altra, create mediante la chiusura di valvole o con la completa disconnessione dei tubi, dove i flussi in entrata e in uscita sono misurati. La realizzazione di DMA ha due obiettivi principali: migliorare il controllo della rete, al fine di una più facile identificazione delle perdite, e consentire un risparmio energetico tramite una migliore gestione delle pressioni. Tradizionalmente, la progettazione di DMA è stata effettuata tramite approcci empirici, per tentativi ed errori o tramite simulazione assistita, che consentono di ottenere, però, un numero limitato di possibili soluzioni e che sono difficilmente applicabili a sistemi di distribuzione idrica molto estesi. Nel presente lavoro di tesi viene quindi proposto un nuovo metodo, basato sulla teoria dei grafi, per la progettazione di DMA in reti di distribuzione idrica con molte sorgenti, completamente indipendenti gli uni dagli altri e alimentati dalla propria sorgente. Il metodo consente di generare differenti soluzioni che possono essere confrontate sulla base di indicatori di prestazione. All'inizio, la rete viene suddivisa nel massimo numero di distretti elementari (eDMA) tramite gli algoritmi Breadth First Search e di Dijkstra. In seguito, i eDMA sono uniti tra loro per generare distretti di dimensioni maggiori e ridurne il numero complessivo. Infine, viene proposta una procedura per l'ottimizzazione dello schema funzionale delle pompe, al fine di ridurre il consumo energetico e i costi operativi della rete. Per dimostrarne l'efficacia, il metodo proposto viene applicato ad una rete di distribuzione reale (Milano). I risultati ottenuti mostrano che il procedimento consente l'identificazione di ottime soluzioni, sia in termini di affidabilità che di risparmio energetico.