İçme suyu şebekelerinde sezgisel ve istatistiksel yöntemlerle sızıntı tespit modelinin oluşturulması
Creating a leakage detection model for water distribution networks by using heuristic and statistical methods
Yazar: FURKAN BOZTAŞ
Danışman: PROF. DR. MAHMUT FIRAT
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
İçme suyu dağıtım sistemlerinde meydana gelen sızıntıların önemli bir kısmı çeşitli fakörlere bağlı olarak yüzeye çıkmamaktadır. Bu sızıntıların farkına varma süresi arttıkça kaybolan su hacmi de artmaktadır. Bu nedenle sistemde meydana gelen ve yüzeye çıkmayan bu sızıntıların sürdürülebilir bir şekilde belirlenmesi ve sistemin izlenmesi gerekir. Bu çalışmada içme suyu dağıtım sistemlerinde yüzeye çıkmayan sızıntıların tespit edilmesi amacıyla optimizasyon algoritması esas alınarak özgün bir sızıntı tespit modeli ve metodolojisi geliştirilmiştir. Çalışmada hidrolik model üzerinde hesaplanan ve sahada ölçülen basınç değerleri arasındaki farkları kullanan bir optimizasyon algoritması ile sızıntı tespit problemine çözüm önerilmiştir. Bu çalışmanın dayandığı teori şebeke üzerinde oluşan sızıntı kaynaklı basınç düşüş verilerini kullanılarak sızıntının yerinin tespit etmek üzeredir. Önerilen metodolojinin ihtiyaç duyduğu kaynaklar, sınırları belirlenmiş olan bir su dağıtım şebekesi, kalibrasyonu tamamlanmış bir hidrolik model, su şebekesi üzerinde giriş debisi ölçümleri, dağıtım şebekesi üzerinden basınç ölçümleri, hidrolik analiz yazılımı ve optimizasyon algoritması yazılımıdır. Bu çalışmada hidrolik analizler için EPANET yazılımı ve optimizasyon algoritması için MATLAB yazılımı kullanılmış olup, çalışmada kullanılan EPANET-MATLAB araç seti çözüm sürelerini kısaltan aynı zamanda iş yükünü azaltan faydalı bir araç olmuştur. Geliştirilen model öncelikle deneysel şebekeler üzerinde test edilmiştir. Daha sonra literatürde yaygın bir şekilde referans alınan Hanoi şebekesi modelin test edilmesinde dikkate alınmıştır. Analiz sonuçlarına göre algoritma 25 düğüm noktasına sahip deneysel şebekede, 12 adet düğüm noktası için %100 oranında doğru sonuç verdiğini ve her defasında doğru sızıntı noktasını tahmin edebildiğini göstermektedir. Şebekenin tamamı için ise kümülatif doğru tahmin edilme oranı %92 olmaktadır. Toplamda 31 adet düğüm noktası bulunan Hanoi şebekesinde, sızıntı aramasında 21 adet (%67.7) düğüm noktası için her defasında algoritma tarafından belirlenen en yüksek sızıntı debisi doğru sonuca aittir. Geriye kalan 11 düğüm noktasından 6 adedi için doğru sonuç algoritma tarafından %50'nin üzerinde bir oranla tespit edilebilmiştir. Toplamda 27 adet (%87.1) düğüm noktası için aramalarda tam sonuç bulma oranı %50'nin üzerinde gerçekleşmiştir.

Anahtar Kelimeler: İçme suyu şebekesi, Sızıntı tespiti, Optimizasyon, Hanoi şebekesi, Hidrolik Modelleme, Kalibrasyon

Abstract:
A significant part of the leaks that occur in drinking water distribution systems do not come to the surface due to various factors. As the time to become aware of these leaks increases, the volume of water lost also increases. For this reason, these leaks that occur in the system and do not come to the surface should be determined in a sustainable way and the system should be monitored. In this study, a unique leak detection model and methodology has been developed based on the optimization algorithm in order to detect non-surface leaks in drinking water distribution systems. In the study, a solution to the leak detection problem was proposed with an optimization algorithm using the differences between the pressure values calculated on the hydraulic model and measured in the field. The theory on which this study is based is about to determine the location of the leak by using the data of pressure differences. The resources required by the proposed methodology are a well defined water distribution network, a calibrated hydraulic model, inlet flow measurements on the water network, pressure measurements over the distribution network, hydraulic analysis software and optimization algorithm software. In this study, EPANET software was used for hydraulic analysis and MATLAB software was used for the optimization algorithm, and the EPANET-MATLAB toolkit used in the study was a useful tool that shortened the solution times and also reduced the workload. The developed model was first tested on an experimental network. Later, proposed methodology tested on Hanoi network which is widely referenced in the literature. According to the results of the analysis, the algorithm shows that in the experimental network with 25 nodes, it gives 100% correct results for 12 nodes and can predict the correct leakage point each time. The cumulative correct prediction rate for the entire network is 92%. In the Hanoi network which has 31 nodes in total; for 21 nodes (67.7%) the algorithm marked correct leakage node. The correct result for 6 of the remaining 11 nodes was determined by the algorithm with a rate of over 50%. For a total of 27 (87.1%) nodes, the rate of finding exact results in searches was over 50%.

Keywords: Water network, Leakage detection, Optimization, Hanoi network, Hydraulic modeling, Calibration