Functional sectorization and optimization of water distribution networks

The present Ph.D. thesis focuses on district metered areas (DMAs) and energy optimisation techniques in the field of the efficient management of water distribution networks serving urban areas. New tools are developed to deal with complex networks, highly looped and characterised by multiple water sources. It is introduced the concept of “elementary areas”: the inference zones in terms of water distribution of a given source of the network, they represent the least possible subdivision of the network into self-sufficient districts. Firstly, using elementary areas, a novel method to automatically design DMAs is proposed, based on graph theory. Elementary areas enlighten the subnetworks already present in the network and reflect the operation of the system. Elementary areas can be then assembled each other to make larger DMAs. The union strategies can be adapted to obtain the wanted qualities for the network, for example it can be sought the maximisation of network performance or the maintenance of original interactions between the different sources. Secondly, two alternative approaches to identify elementary areas are considered: one based on particle tracing and the other still based on graph theory, but with a variation from the originally proposed method. However, for both alternative approaches resulted reasons not to prefer them over the originally proposed method, which proved more effective both in terms of consistence to the intended definition for elementary areas and for computational time. Thirdly, the application of elementary areas for optimal energy management is investigated. A novel optimization approach of pump schedules is proposed exploiting elementary areas as functional districts. Being the inference zone in terms of water supply for water sources, each area can be energetically optimized in order to obtain a good solution to use for the entire network optimization. This approach, named “expeditious” method, is successfully applied on a complex case study (95 pumps). Finally, a serious comparison of methods is performed to solving the pump schedule optimization problem of large networks with an elevated number of pumps. The comparison involves, besides “expeditious” method, genetic algorithm and mixed integer linear programming. The final goal is to enlighten strength and weakness aspects of the algorithms tested: easiness of implementation, capacity to investigate large solution domains, computational time and robustness. A complex case study is used as test field.

La presente tesi di dottorato si occupa della gestione efficiente delle reti di distribuzione idrica a servizio di aree urbane, tramite di tecniche di distrettualizzazione (DMAs) e metodi di ottimizzazione energetica. Nuovi strumenti sono proposti per gestire reti complesse, altamente magliate e caratterizzate da molteplici stazioni di produzione. Viene introdotto il concetto di "aree elementari": zone di inferenza in termini di distribuzione dell'acqua di una determinata sorgente della rete, esse rappresentano la suddivisione massima possibile della rete in distretti autosufficienti. In primo luogo, utilizzando le aree elementari, viene proposto un nuovo metodo per progettare in maniera automatica i DMAs, basato sulla teoria dei grafi. Le aree elementari sono delle sotto-reti della rete di distribuzione stessa e riflettono il funzionamento del sistema. Le aree elementari possono essere assemblate tra loro per costituire DMAs di dimensioni superiori. Le strategie di unione possono essere adattate per conferire le caratteristiche desiderate alla rete finale, per esempio può essere richiesto di massimizzare le prestazioni del sistema di distribuzione o può essere richiesto di preservare le interazioni originariamente esistenti tra le diverse centrali di produzione. In secondo luogo, altri due approcci per identificare le aree elementari sono considerati ai fini di un confronto con il nuovo metodo proposto: uno basato sul “particle tracing” e l'altro di nuovo basato sulla teoria dei grafi, ma con una variazione rispetto al metodo inizialmente proposto. Tuttavia, per entrambi gli approcci alternativi si sono evidenziati dei limiti che portano ritenere il nuovo metodo proposto più efficace sia in termini di caratteristiche desiderate per le aree elementari sia per tempi di calcolo. In terzo luogo, si propone l'applicazione di aree elementari per la gestione energetica delle reti di distribuzione idrica. Viene sviluppato un nuovo approccio di ottimizzazione dei comandi delle pompe sfruttando le aree elementari in quanto distretti funzionali. Essendo ciascuna aree una zona di inferenza in termini di approvvigionamento idrico per le fonti di acqua che alimentano la rete, ogni area può essere energeticamente ottimizzata per ottenere una buona soluzione da usare successivamente per l’ottimizzazione dell'intero sistema di distribuzione. Questo approccio, denominato metodo "speditivo", viene applicato con successo ad un complesso caso di studio (95 pompe). Infine, diverse tecniche di ottimizzazione vengono messe a confronto per risolvere il problema di minimizzazione energetica dei sistemi di sollevamento a servizio di reti di acquedotto estese e che presentano un elevato numero di pompe. Il confronto coinvolge, oltre al metodo "speditivo", un algoritmo genetico e un algoritmo di programmazione lineare (mixed integer linear programming). L'obiettivo finale è quello mettere in luce i punti di forza e di debolezza degli algoritmi testati: facilità di implementazione, capacità di perlustrare un dominio di soluzioni molto esteso, tempi di calcolo e robustezza. Un caso studio complesso viene usato come test per il confronto.