Sewer systems management : illicit intrusion identification and optimal sensor placement

par Bijit Kumar Banik

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Eric Van Hullebusch.

Le président du jury était Piet N. L. Lens.

Le jury était composé de Eric Van Hullebusch, Cristiana Di Cristo, Angelo Leopardi, Arthur Mynett, Giovanni Esposito.

Les rapporteurs étaient Avi Ostfeld, Orazio Giustolisi.

  • Titre traduit

    Management des réseaux d’assainissement : identification des pollutions ponctuelles et optimisation du placement de capteurs


  • Résumé

    La gestion incorrecte des eaux usées peut entraîner des dommages importants sur les stations de traitement et sur le récepteur final (écosystème aquatique). Dans le passé, la gestion des eaux usées n'a pas retenu beaucoup d'attention de la part des différentes parties prenantes. Toutefois, récemment, le changement de modèle de gestion des eaux usées et des eaux pluviales, a évolué du simple contrôle sanitaire et des inondations, à une protection globale de l'environnement. Un aspect très important, dans la politique de gestion des systèmes d'assainissement, est de détecter et d'éliminer une intrusion illicite, qui peut être intentionnelle. Ce travail thèse de doctorat est constitué de deux parties principales. Dans la première partie les problèmes relatifs à l'identification d'une intrusion illicite dans un système d'assainissement ont été abordés, proposant une méthodologie d'identification de la source (IS). Dans la deuxième partie, différentes méthodologies innovantes ont été proposées pour trouver l'emplacement optimal d'un nombre limité de capteurs dans le système d'assainissement. Dans cette thèse, le ISest résolu grâce à un modèle de simulation-optimisation, combinant l'outil de simulation Storm Water Management Model (SWMM) avec un code d'optimisation basé sur un algorithme génétique (Galib). Ceci nécessite des mesures en ligne de certains capteurs placés sur le réseau. Le SWMM ne possède pas l'outil de programmation. Afin d'intégrer le simulateur SWMM à la méthodologie de IS automatisé proposée, un outil ad-hoc a été développé. Une procédure de présélection, basée sur le concept de la matrice de la pollution et compte tenu de la topologie des égouts, a été mis en œuvre pour réduire l'effort de calcul. La méthodologie IS a été testée sur deux réseaux différents. L'un est un réseau connu dans la littérature, extrait du manuel de SWMM, tandis que l'autre réseau est un sous-bassin versant du réseau d'assainissement de Massa Lubrense, village situé près de Naples, en Italie. Les résultats montrent que les procédures de présélection réduisent considérablement l'effort de calcul, avec un rôle crucial pour les grands systèmes. En enquêtant sur la performance de la méthodologie IS, sa sensibilité par rapport aux paramètres de l'algorithme génétique a été vérifiée. En outre, l'influence de l'incertitude des flux entrés et des erreurs de mesure sur les résultats ont été approfondi. Un autre problème fondamental, associé à la surveillance de la qualité de l'eau des égouts, est le placement optimal d'un nombre limité de capteurs pour la détection précoce d'une source illicite. Dans la thèse l'emplacement du capteur est exprimé avec un problème d'optimisation mono ou multi-objectif. Le SWMM est utilisé pour extraire les données de qualité de l'eau. Différentes formulations ont été proposées et testées. Tout d'abord, la Théorie de l'Information (TI) basée sur la méthodologie d'optimisation multi-objectif est présentée. La TI considère deux objectifs : l'entropie conjointe, le contenu de l'information dans un ensemble de capteurs, qui est maintenu aussi haut que possible ; la corrélation totale, une mesure de la redondance, qui est maintenue aussi faible que possible. Dans la seconde approche multi-objectifs le temps de détection doit être minimisé et la fiabilité qui doit être maximisée. Les deux cas, les problèmes multi-objectifs sont résolues en utilisant l'algorithme Non-Dominating Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II). Comme troisième alternative, un outil d'optimisation mono-objectif (Greedy) a été testé. Les objectifs précédemment considérées sont utilisés avec différentes combinaisons. Le réseau d'assainissement de Massa Lubrense a été utilisé pour tester les performances des différentes procédures proposées. Une comparaison normalisée entre toutes les approches montre que l'approche basée sur Greedy pourrait être une alternative pratique pour l'optimisation des emplacements de capteurs dans les systèmes d'assainissement


  • Résumé

    Improper wastewater management could result in significant damage to the treatment plants and the final recipient aquatic ecosystem. In the past, wastewater management did not get much attention from different stakeholders. However, recently a paradigm shift of wastewater and storm water management is evolving from a simple sanitary and flood control, respectively, to a whole environmental protection function. A very important aspect of the sewer systems management policy is to detect and eliminate an illicit intrusion. This PhD research is consisting of two main pillars. In the first pillar, the issues regarding the identification of an illicit intrusion in a sewer system have been addressed, proposing a source identification (SI) methodology. In the second pillar, different innovative methodologies have been proposed to find the optimal placement of a limited number of sensors in the sewer system. In the thesis, the SI is solved through a simulation-optimization model, combining the hydraulic and quality simulation tool Storm Water Management Model (SWMM) with a genetic algorithm code (GALib) as an optimizer. It requires online measurements from some sensors placed on the network. The SWMM does not have the programmer's toolkit. To integrate the SWMM simulator with the proposed automated SI methodology, an ad-hoc toolkit has been developed. A pre-screening procedure, based on the pollution matrix concept and considering the topology of sewers, has been implemented to reduce the computational effort. The SI methodology has been tested on two different networks. One is a literature network taken from the SWMM example manual while the other is one sub-catchment of the real sewer network of Massa Lubrense, a town located near Naples, Italy. The results show that the pre-screening procedure reduces the computational effort significantly, and it has a crucial role in large systems. In investigating the performances of the SI methodology, its sensitivity respect to the genetic algorithm parameters has been verified. Moreover, the influence of the uncertainty of the inflows values and the measurement errors on the results have been investigated. Another core problem associated with the water quality monitoring of sewers is represented by the optimal placement of a limited number of sensors for the early detection of an illicit source. In the thesis, the sensor location is expressed as a single or multi-objective optimization problem and the SWMM is used to extract the water quality data. Different formulations have been proposed and tested. First, an Information Theory (IT) based multi-objective optimization methodology is presented. The IT approach considers two objectives: the Joint entropy, the information content of a set of sensors, which is kept as high as possible; the Total correlation, a measure of redundancy, which is kept as low as possible. In the second multi-objective approach Detection time, to be minimized, and Reliability, to be maximized, are considered. In both cases, the multi-objective problems are solved using the Non-Dominating Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II). As a third alternative, a single objective Greedy based optimization tool has been tested. The previously considered objectives are also used with different combinations. The Massa Lubrense sewer network is used to test the performances of various proposed procedures. A normalized comparison among all approaches shows that the Greedy based approach could be a handy alternative for optimizing the sensor locations in sewer systems


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