Advanced tools for urban water demand simulation and forecasting at multiple spatio-temporal scales

Abstract

This dissertation is an attempt to develop a series of simulation and management tools incorporated in a methodological framework to facilitate detailed supervision of a WDS via a number of key parameters across the WDN from source (groundwater) to tap, such as urban water demand, real losses, apparent losses, pressure, and water consumption at the tap, while also developing and assessing a number of key performance indicators, such as the energy-water nexus, leakage reduction potential, pressure driven demand reduction potential and economic savings. The aim of this dissertation is to create tools for the mathematical modelling, analysis, forecast and performance indexing of various components of a water distribution system which is intensely seasonal regarding demands and stresses. Specifically the presented work answers the following objectives: 1. The investigation among traditional statistical, ML and hybrid approaches, for appropriate modelling and forecasting of the water demand in multiple periodicities (trimester, months and days) and the analysis of the drivers that force intense seasonality, such as the weather, the tourism and the technical status of the Water Distribution Network. 2. The construction of a spatio-temporal simulation model of a Water Distribution Network, which will facilitate the assessment of the iconic International Water Association Water Balance tables in small time and spatial resolution (hourly and neighborhood) and the localization of stresses such as leakage, theft, and billed water consumption. 3. The proposition of appropriate key performance indicators that can indicate the performance of the Water Distribution Network regarding real losses, revenue, energy consumption, as well as the relation of the water balance profiles to the urban land uses (touristic or residential). 4. The proposition of key performance indicators for the spatiotemporal assessment of the performance of alternative management schemes, such as Pressure Control Management, regarding the potential reduction of leakage, energy consumption and non-revenue. 5. The construction of a simulation tool for the tap water consumption mimicking the consumption incidents (time slot, duration, and flowrate) based on the pulse models paradigm. 6. The investigation of the potential of reducing pressure driven demand based on the Water Distribution Network Simulation and the tap water simulation and the proposition of relevant indicators for this potential.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η διερεύνηση των δυνατοτήτων μαθηματικής προσομοίωσης διάφορων τμημάτων του υδρευτικού κύκλου, η εφαρμογή και η ανάπτυξη νέων εργαλείων, συγκεκριμένα της ζήτησης νερού στο επίπεδο των υδάτινων πόρων, του συστήματος διανομής και της οικιακής κατανάλωσης σε επίπεδο βρύσης. Για την υλοποίηση των παραπάνω μαθηματικών προσομοιώσεων χρησιμοποιήθηκαν παραδοσιακές στατιστικές μέθοδοι, μέθοδοι που προέρχονται από το χώρο της τεχνητής νοημοσύνης και υβριδικές μέθοδοι, καθώς και διαδεδομένοι προσομοιωτές, ενώ αναπτύχθηκαν νέοι αλγόριθμοι για να καλύψουν περαιτέρω ανάγκες. Οι μέθοδοι εξετάστηκαν και βαθμονομήθηκαν στην περίπτωση μελέτης της πόλης της Σκιάθου, όπου αποτελεί ένα παράδειγμα έντονα δυναμικού χαρακτήρα με περιοδικότητα στη ζήτηση που σχετίζεται με την τουριστική δραστηριότητα του νησιού και με την περιοδικότητα των μετεωρολογικών μεταβλητών. Τέλος, αναπτύχθηκαν δείκτες απόδοσης και χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές οπτικοποίησης, ώστε να διευκολυνθεί η κατανόηση του συστήματος και να αναδειχθούν οι σχέσεις αιτίου- αιτιατού. Η διατριβή διαρθρώνεται σε έξι κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αφορά στα κίνητρα και στους αντικειμενικούς στόχους. Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά στη συνεισφορά της διατριβής και στα πρωτότυπα σημεία. Το τρίτο κεφάλαιο αφορά στις μεθόδους πρόβλεψης της ζήτησης νερού, το τέταρτο στην ανάπτυξη ενός χωρο-χρονικού μοντέλου προσομοίωσης του υδρευτικού συστήματος, το πέμπτο στην ανάπτυξη ενός μοντέλου προσομοίωσης της οικιακής ζήτησης νερού σε επίπεδο βρύσης και το έκτο αφορά στα συμπεράσματα της διατριβής. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια ανάλυση της σημερινής κατάστασης, ως προς τη διαχείριση του αστικού νερού, σε διάφορες κλίμακες, των προτεραιοτήτων που έχουν τεθεί σε επίπεδο στρατηγικού σχεδιασμού, καθώς και η τοποθέτηση της συγκεκριμένης διατριβής σε αυτό το πλαίσιο. Στο δεύτερο κεφάλαιο απαριθμούνται τα βασικά βήματα της εργασίας και τονίζονται τα σημαντικά πρωτότυπα σημεία. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μία ιστορική αναδρομή των μεθόδων προσομοίωσης και πρόβλεψης της ζήτησης νερού, οι οποίες κατηγοριοποιούνται ανάλογα με διάφορα κριτήρια, όπως η κλίμακα χρόνου, η θεώρηση ως προς την αβεβαιότητα (στοχαστικές ή αιτιοκρατικές προσεγγίσεις), ο αριθμός των εκτιμητριών (μονοπαραγοντικές ή πολυπαραγοντικές προσεγγίσεις) και ο ορίζοντας (κοντοπρόθεσμος, μεσοπρόθεσμος, μακροπρόθεσμος). Στη συνέχεια χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι από την παραδοσιακή στατιστική, τις μεθόδους μηχανής εκμάθησης αλλά και υβριδικές για την μοντελοποίηση της ζήτησης του αστικού νερού της Πόλης της Σκιάθου. Η προσομοίωση γίνεται με διάφορα χρονικά βήματα (τριμήνου, μήνα, ημέρας), ενώ κάποιες από την μεθόδους που χρησιμοποιούνται είναι το Αυτοπαλίνδρομο Ολοκληρωμένο Υπόδειγμα Κινητού Μέσου (ΑRIMA), τα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα (ΑΝΝ), το Προσαρμοστικό Σύστημα Νευροασαφούς Επαγωγής (ANFIS) και συνδυασμοί αυτών. Η ανάλυση γίνεται μονοπαραγοντικά και πολυπαραγοντικά, ενώ διερευνώνται διάφορες ενδεχόμενες εκτιμήτριες, με τη μέθοδο δοκιμής-λάθους, όπως μετεωρολογικές, η τουριστική δραστηριότητα και η τεχνική κατάσταση του δικτύου ύδρευσης. Στο κεφάλαιο αυτό αναδείχθηκε η μέθοδος ANFIS, ως ένα ισχυρό εργαλείο για την προσομοίωση της ζήτησης σε ημερήσιο βήμα, ακόμη ισχυρότερο από τα ΑΝΝ, ενώ οι παραδοσιακές στατιστικές μέθοδοι αναδεικνύονται ιδανικές στην αντιμετώπιση της περιοδικότητας, της τάσης και του επιπέδου, αλλά όχι τόσο των μη γραμμικών σχέσεων. Η πολυπαραγοντική προσέγγιση υπερτερεί της μονοπαραγοντικής στην ευελιξία καθώς μπορεί να λειτουργήσει ως ένα εργαλείο διερεύνησης σεναρίων, αλλά προϋποθέτει μία καλή διερεύνηση των εκτιμητριών. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσσεται ένα χωρο-χρονικό μοντέλο προσομοίωσης του υδρευτικού συστήματος νερού. Η προσομοίωση αφορά σε μια σειρά μεταβλητών που σχετίζονται με το σύστημα όπως το ανταποδοτικό και μη ανταποδοτικό νερό, η κατανάλωση, οι απώλειες, τα σφάλματα μέτρησης, η κλοπή, η πίεση και οι αντιστοιχίες σε κόστος και ενέργεια. Η προσομοίωση υλοποιείται μέσω ενός συστήματος δύο επαναληπτικών διαδικασιών, μίας εσωτερικής και μίας εξωτερικής, που συγκλίνουν στο μέγεθος των διαρροών και στην πίεση του δικτύου αντίστοιχα. Η εκτίμηση των διαρροών βασίζεται στη μέθοδο της νυχτερινής παροχής, ενώ η σύγκλιση των πιέσεων γίνεται για τρία σημεία καταγραφής του δικτύου. Η όλη επαναληπτική διαδικασία βασίζεται στον σταδιακό διαχωρισμό του μη ανταποδοτικού νερού σε διαρροές και φαινόμενες απώλειες, οι οποίες προσομοιώνονται με διαφορετικές προσεγγίσεις ανάλογα με τη φύση των κατανομών τους, οι μεν πρώτες ως εξαρτώμενες από την πίεση, οι δε δεύτερες ακολουθώντας τις καμπύλες κατανάλωσης. Τέλος αναπτύσσεται ένα χωροχρονικό σύστημα δεικτών απόδοσης, ενώ αυτό εφαρμόζεται και ελέγχεται για ένα θεωρητικό σχήμα διαχείρισης μέσω ελέγχου πίεσης. Στο κεφάλαιο αυτό αναδεικνύεται η χρησιμότητα της χωροχρονικής διακριτοποίησης του υδατικού ισοζυγίου ενός δικτύου ύδρευσης, ειδικά σε περιπτώσεις έντονα δυναμικές, όπως οι τουριστικές περιοχές. Η χρησιμότητα αυτή έγκειται στην ανάδειξη περιοχών και περιόδων (ακόμη και ζωνών εντός του εικοσιτετραώρου) έντονης καταπόνησης του συστήματος, δηλαδή με υψηλές συγκριτικά και απόλυτα τιμές διάφορων κριτηρίων απόδοσης, όπως μη ανταποδοτικού νερού, διαρροών, φαινόμενων απωλειών και κατανάλωσης, ενεργειακής κατανάλωσης. Τέλος αναδεικνύεται η έμμεση χρήσιμότητα μιας τέτοιας προσέγγισης στην ταυτοποίηση των αστικών χρήσεων γης (όπως η τουριστική και μη τουριστική). Τα παραπάνω αποτελούν χρήσιμα εργαλεία προς την πιο στοχευμένη και αποδοτικότερη διαχείριση του συστήματος ύδρευσης και αναδεικνύουν τη σύνδεση του υδρευτικού συστήματος με άλλα επίπεδα αστικών δραστηριοτήτων, όπως η κατανάλωση της ενέργειας και χρήση των χώρων. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται αρχικά μία επισκόπηση της χρησιμότητας των μοντέλων προσομοίωσης οικιακού νερού σε επίπεδο βρύσης και μία σύντομη ιστορική αναδρομή των προσεγγίσεων. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται ένα πρωτότυπο μοντέλο παλμού για την προσομοίωση της οικιακής κατανάλωσης νερού. Η ιδιαιτερότητα του μοντέλου αφορά στην εισαγωγή ενός μηχανισμού σχηματισμού των συμβάντων κατανάλωσης, μέσω της ένωσης μοναχικών συμβάντων με τη χρήση του νόμου του αντίστροφου τετραγώνου απόστασης. Το υπόδειγμα υλοποιείται για την περίπτωση μελέτης της πόλης της Σκιάθου και της πόλη του Σοσνόβιετς της Πολωνίας για έναν αριθμό πιλότων. Οι δύο περιπτώσεις μελέτης παρουσιάζουν διαφορετικά χαρακτηριστικά περιοδικότητας. Το υπόδειγμα αποδεικνύεται αποδοτικότερο για περισσότερα δεδομένα εκπαίδευσής του και για πυκνότερα συμβάντα κατανάλωσης. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται το μοντέλο σε συνδυασμό με το χωροχρονικό μοντέλο προσομοίωσης της ύδρευσης για τη μοντελοποίηση της μείωσης της κατανάλωσης μέσω ελέγχου πίεσης. Στο κεφάλαιο αυτό προτείνεται ένα αποδοτικό πρωτότυπο υπόδειγμα παλμού για την προσομοίωση της οικιακής χρήσης νερού, ενώ με τη χρήση του και τη σύνδεσή του με τη χωροχρονική προσομοίωση του δικτύου αναδεικνύεται η προοπτική χρήσης του για ακριβέστερη εκτίμηση της δυνατότητας εξοικονόμησης νερού όταν εφαρμόζεται διαχείριση του δικτύου με έλεγχο πίεσης. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μία ανασκόπηση της εργασίας και τονίζονται τα σημαντικά σημεία. Τα πρωτότυπα σημεία της διατριβής συνοψίζονται στα ακόλουθα: •Η χρήση του Συστήματος Νευροασαφούς Επαγωγής (ANFIS) και υβριδικών μεθόδων που βασίζονται σε αυτό, στα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα και σε παραδοσιακες στατιστικές μεθόδους για την προσομοίωση της ζήτησης αστικού νερού. •Η χρήση της τουριστικής εισροής και του ποσοστού Μη Ανταποδοτικού νερού, ως μεταβλητές πρόβλεψης της ζήτησης του νερού. •Η εκτίμηση των πινάκων συνιστωσών του εισερχόμενου νερού, όπως προτείνεται από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Νερού, σε κλίμακα ημέρας (ή και μικρότερης) και σε επίπεδο γειτονιάς. •Η εισαγωγή του μεθοδολογικού πλαισίου για το σύστημα των δύο κύκλων επαναλήψεων για την προσομοίωση της ύδρευσης με κριτήριο την σύγκλιση εσωτερικά των διαρροών και εξωτερικά των πιέσεων. •Η χωροχρονική εκτίμηση, εφαρμογή και οπτικοποίηση δεικτών απόδοσης (καθιερωμένων και καινοτόμων) του υδρευτικού συστήματος. •Η ανάπτυξη ενός αλγόριθμου προσομοίωσης της οικιακής χρήσης νερού σε επίπεδο βρύσης •Η χρήση του προσομοιωτή οικιακής χρήσης νερού για την εκτίμηση της δυνατότητας μείωσης της κατανάλωσης με διαχείριση ελέγχου πίεσης •Η χρήση των χωροχρονικών διαφοροποιήσεων των συνιστωσών του πίνακα του Παγκόσμιου Οργανισμού Νερού για την διεξαγωγή συμπερασμάτων ως προς τις αστικές χρήσεις γης (τουριστική και μη).Οι προοπτικές και τα θέματα προς περαιτέρω διερεύνηση συνοψίζονται στα παρακάτω σημεία: •Η διερεύνηση της εφαρμογής διαφορετικών καμπυλών ζήτησης ανάλογα με τον χαρακτηρισμό της αστικής χρήσης της κάθε περιοχής. •Η διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής μεθόδων μηχανής εκμάθησης για την προσομοίωση των συνιστωσών του εισερχόμενου νερού, με εκπαίδευση των αλγορίθμων μηχανής εκμάθησης πάνω στις προσομοιωμένες τιμές. Αυτό θα μπορούσε να αποκαλύψει τη δυνατότητα διευκόλυνσης της προσομοίωσης ενός νέου υδρευτικού συστήματος μέσω τις αποθήκευσης προτύπων σε βιβλιοθήκες. •Η χρήση του μοντέλου προσομοίωσης του υδρευτικού συστήματος για την αξιολόγηση μέσω των δεικτών απόδοσης διάφορων διαχειριστικών σχημάτων, όπως αυτό της διαμερισματοποίησης του δικτύου ύδρευσης. •Η εμβάθυνση στην ανάλυση της σχέσης νερού ενέργειας καθ’ όλο το σύστημα ύδρευσης. •Η εξέλιξη του αλγόριθμου παλμού ως μοντέλο προσομοίωσης πολλών μεταβλητών.