Chapter4 smart drinking water AUST 2015

Sustainable  and  Smart  City  :    AUST  Summer  Course  

Chapter  4  :  Smart  drinking  water  

Professor  Isam  SHAHROUR    Isam.shahrour@univ-­‐lille1.fr  

•  Water  key  figures    •  Drinking  water  system  •  Smart  water  system    •  Smart  water  pilot  

4  Parts  

In  the  world  

Cost  of  the  water  supply:  184  billion  €  Cost  of  leakage  =  9.6  billion  €  

France    

Drinking  Water  network  •  906  000  km  (value:  ~  80  billion  €)    •  Annual  investment  =  1.5  billion  €      Sewage  network  :    •   394  000  km  (~  70  billion  €)    •  Annual  investment  =:  0.8  to  1.3  billion  €  �    

•  Average  life  span  of  a  pipeline:  ~  70  years    •  Average  age  of  pipes:  ~  40  years  (more  

than  100  years  for  some  pipes)  •  Average  renewal  rate  =  0.6%  

France    

Lebanon    

Lebanon  :  Water  demand    

Lebanon  :  Water  losses  

Lebanon  has  potenKally  sufficient  water  resources  to  meet  domesOc  demand.      Transforming  resources  into  quality  drinking  water  suffered  from  lack    of  investments  in  the  infrastructures.      

Water  Service  in  Lebanon  

1)  Water  resources  are  overexploited  due  to  excessive  pumping.  There  are  an  esOmated  40,000  private  wells,  compared  with  3,000  in  1970  which  is  factor  in  contaminaOon  of  the  groundwater  by  seawater.  Most  of  these  wells  are  Illegal    

Factors  contribuKng  to  the  poor  water  quality:    

 2)  inadequate  provision  of  sanitaOon  services  has  led  to  polluted  streams,  rivers  and  aquifers.  Up  to  70%  of  natural  sources  are  affected  by  bacterial  contaminaOon.    

MulKple  factors  contribute  to  poor  water  quality:    

3)  Absence  of    water  metering  Without  a  metering  system,  supply  and  demand  is  de-­‐linked  at  the  household  level:    the  amount  of  water  provided  to  each  household  is  unrelated  to  the  amount  of  water  a  household  would  consume  and  pay  for.  

•  Water  key  figures    •  Drinking  water  system  •  Smart  water  system    •  Smart  water  pilot  

4  Parts  

Water  system  organisaKon  and  operaKon    

16

Drinking  water  system  components  

DistribuKon  tanks  

17

Water pipes

•  Ductile iron •  Plastic (HDPE/PVC) •  Concrete •  Steel

Drinking  water  system  components  

19

Valves

20

Fire Hydrants

water  counter  

Challenges  :  1)  Water  quality  :  contaminaKon  (biological,  

chemical)  could  occur  at  :  •  The  Source  (strict  control)  •  TransportaOon  from  the  treatment  staOon  

to  the  tank  (strict  control)  •  TransportaOon  from  the  tank  to  consumers  

(Control  at  large  Ome  interval)    

Challenges  :  2)  Water  leakage  :  •  In  the  pipes  (provider  responsibility)  (in  ciOes  it  

could  take  long  Ome,…)  •  In  buildings  (the  owner  responsibility)      

Tap drip 43,8 m3/year 175 € (France)

Toilet flush 220 m3/year 880 € (France)

Small water leakage in buildings

Challenges  :  3)  Energy  consumpKon:  

•  Water  treatment  •  Water  transport  (pumps)  •  Pressure  …(affects    also  the  network  

deterioraOon  and  the  leakage).  

Challenges  :  4)  Balance  between  demand  and  producKon  It  requires  a  good  knowledge  of  the  consumers  behavior.  

Challenges  :  5)  Investment  :      •  Priority  for  the  network  maintenance,  

rehabilitaOon,  modernizaOon  and  extension.  •   Huge  investment  

Movies  A1  How  It's  Made  Drinking  Water  A2  Water  DistribuOon  system  A3  Illinois  Drinking  Water  A4  Challenges  to  modernize  the  public  water  distribuOon  system  

•  Water  key  figures    •  Drinking  water  system  •  Smart  water  system    •  Smart  water  pilot  

4  Parts  

Smart  Technology   Smart  governance  

ObjecKve  of  the  smart  water  system  Improve  the  management  of  the  water  system    •  Assets  management    •  Leakage  detecOon    •  Early  contaminaOon  detecOon  •  User  awareness  •  Energy  saving  •  OpOmizaOon  of  the  investment  (priority  

according  to  the  operaOon  sate  of  the  network…)  

CommunicaKon  :    •  OpKcal  (wired)  •   Contactless  

SunRise  -­‐  Plateform  InformaKon  System  

• Asset  data    (SIG)  • Monitoring  data  

3D  graphic  tools  AnalyKcal  tools  

CommunicaKon    web  Servor  

•  Users  •  Technical  team  

Governance  team    •  Public  data  

Monitoring:    •  Leakage  •  Quality  

Leakage   Quality  Sensors  •  Flow  •  Pressure  

Sensors  •  Chlorine,  •  ConducKvity,    •  pH,    •  Turbidity  •  temperature,  •  +  

OrganizaKon    

Asset  informaKon  :    Pipes  :    

•  geo-­‐localizaOon,  •  diameter,  material,  roughness,    •  surrounding  soils,  •  accident,  maintenance,…  

InformaKon  system  Geographic  informaOon  system  (GIS)  

Asset  informaKon  :    Valves  :  type,  geo-­‐localizaOon,  sate,  accident,  maintenance,…  Counters  :  type,  geo-­‐localizaOon,  accident,  maintenance,…  Hydrants  :  type,  geo-­‐localizaOon,  maintenance,    

InformaKon  system  Geographic  informaOon  system  (GIS)  

OperaKonal  data  :  ConsumpOon  :  Water  counter,    Velocity  :    water  flow  meter    Pressure  :        

InformaKon  system  Geographic  informaOon  system  (GIS)  

Smart  meters    

Water  quality  parameters    

Physical  •  Temperature  •  Flow  •  ConducKvity  •  Pressure  

Chemical  •  Free  Chlorine  •  Mono-­‐chloramine  •  Dissolved  Oxygen  •  pH  •  ORP  •  ISE  (e.g.  Ammonium,  Fluoride,  Nitrate)    

OpKcal  •  Turbidity  •  Color    

OperaKonal  data  :  Water  quality  devices    

Chlorine  analyzer    

OperaKonal  data  :  Water  quality    

Intellesonde    

12  Parameters  Monitored  Physical  •  Temperature  •  Flow  •  Pressure  

Chemical  •  Free  Chlorine  •  Mono-­‐chloramine  •  Dissolved  Oxygen  •  ConducKvity  •  pH  •  ORP  •  ISE  (e.g.  Ammonium,  

Fluoride,  Nitrate)    

OpKcal  •  Turbidity  •  Colour    

 Optiqua EventLab:      measures  refracOve  index  changes  in  the  water    It  allows  monitoring  of  the  water  quality  for  any  change  in  (chemical)    

Quality  instrumentaKon  

 S::Scan  AOC,  BOD,  BTX,  COD,  color,  DOC,  FTU/NTU,  H2S,  NO2-­‐N,  NO3-­‐N,  O3,  TOC,  TSS,  UV254,  

Water Counter

Quality control

Data  collecKon    

« Walk-by » « Drive-by »

TelecommunicaKon  network  

•  Water  key  figures    •  Drinking  water  system  •  Smart  water  system    •  Smart  water  pilot  

4  Parts  

SunRise  project  

SunRise    “Large  Scale  Demonstrator  of  the  Smart  and  Sustainable  City”    

Small  town:  •  110  Hectares  •  250  000  users  •  140  Buildings          (320  000  m2  )    

ScienOfic  Campus  (Lille1  University)    

C1  –  Chimie  (1966)   Polytech’Lille  (2000)  

IUT      (2006)  

100  km  of  Urban  Networks  

•  Drinking  Water  •  Sewage  •  District  HeaKng  •  Gas    •  Electrical  (  HV,  LV)  •  Public  light  •  Roads    

InnovaKon  centers  and  Clusters  •  Pole  Ubiquitaire  •  CITC  –EURARFID  •  PRN  

Local  government  •  AMGVF    •  Lille  Metroplis  •  Region  •  ArtoisComm  

InternaKonal:  •  W-­‐Smart  (Int.  Ass.  for  

water  Security)  •  New  York  University    •  Netherland  •  Great  Britain    •  Spain  

Private  and  public  operators  •  Dalkia  •  Eaux  du  Nord  (Suez)  •  Eau  de  Paris  •  ERDF    •  Lille  Métropole  Habitat    

Research  Laboratories:  •  Engineering  •  InformaKon  technology    •  Social  Science  

EducaKon  :  •  Master  programs  •  PhD  programs  

Starts-­‐ups  :    Stereograph,  Nooliic,    Inodesign,  Calmwater,  Planete  oui,  Ixsane,  Projex,    

Public  and  private  partners:  

SunRise  Community    :  Faculty  members,  PhD,  Master  Degree  Students,  

engineers,  April    2014  

SunRise  Smart  Water    

TWUL  Demo  site  London  

Smart  Caceres  Burgos  

VIP  Leeuwarden  

Sunrise  Demo  site  Lille    

ü  Project  Budget:  12M€  ü  EU  funding:  FP7  INNO  DEMO    ü  Project  duraKon:  4  year  ü  Project  Management:  Vitens  N.V.  

ü  12  innovaKve  SMEs  ü  3  water  uKliKes  ü  3  research  insKtutes  ü  1  company  ü  2  plalorm  organizaKons  

European  Project  SmartWater4Europe  

Water  network    •  15  km  pipes  •  49  fire  hydrants  •  250  valves  •  90  meters  •  5  pressure  sensors  

90    AMR  

InstrumentaKons  

VHF  169  MHz  

Portail  de  resKtuKon    des  données  

GPRS  

Data  collecKon  and  transmission    

Data  in  teaching  building  (P4),  May  2014  

0  

0,1  

0,2  

0,3  

0,4  

Lundi   Mardi   Mercredi   Jeudi   Vendredi   Samedi   Dimanche  

Consom

maK

on  (m

3 /h)  

 ConsommaOon  du  bâOment  P2  (Mai  2014)  Weekend   1ère  semaine   2ème  semaine  

3ème  semaine   4ème  semaine  

Water balance verification

Supply  ConsumpKon  

Consommation d’eau - Jours de travail (m3/j)

Water  ConsumpKon  (Working  Day)  

Consommation d’eau - Weekend (m3/j)

Basse consommation

Forte consommation

Water  ConsumpKon  (Week-­‐end)  

InstrumentaKons          5  capteurs  de  pression  

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4/1/2015 12:00:00 AM

4/7/2015 12:00:00 AM

4/13/2015 12:00:00 AM

4/19/2015 12:00:00 AM

4/25/2015 12:00:00 AM

5/1/2015 12:00:00 AM

Pres

sion

(bar

s) C1  

Numerical  modelling  using  EPANET  

Water velocity March, 12, 2014 at 8:00 am

Vitesse  (m/s)  

Online  real-­‐Time  water  quality  survey  

                                             Intellisonde                                                                                                            S::can                                                                                                                    OpKqua                  

Sensors  used  in  the  program  

Phase  1  :    EvaluaOon  of  the  sensors  in  Lab-­‐Large  scale  pilot      

Lab  pilot  

ð  Total  length  =  61  m  

ð  16  mm  opaque  double  layer  pipes  

 ð  Diameter  =  16mm.    

 InjecOon  

Measuring  point  

67  

68  

Example    :  Mercury  dichloride  injecKon  (HgCl2)  

7  injecOon  events    (EventLab  –OpOqua)  

Monitoring  Water  Quality  sensors    

Movies:  B1  The  Value  of  Smart  Water  Networks  B2    Water  is  becoming  smart  thanks  to  remote  metering  B3  The  Customer  Benefits  of  Smart  Water  Networks  B4  Arad  Group  -­‐  Smart  Water  Metering  SoluOons    

Water  System  organisaKon      

(1)  

(1)   (2)  (3)  

(4)  

(1)  :  Water  Source  (2)   Drinking  water  

treatment  (3) DistribuOon  Tank  (4)   Drinking  water  

network  

Water  System  organisaKon      

(5)   (6)  

(7)  (9)   (9)  

(9)  

(1)  :  Water  Source  (2)   Drinking  water  

treatment  (3) DistribuOon  Tank  (4)   Drinking  water  

network  (5) SaOaOon  network  (6) SanitaOon  treatment  (7) Rain  network  (8) Rain  treatment  (9) Treated  water  reuse    

Water  System  organisaKon      

(1)  

(1)   (2)  (3)  

(4)  

(5)   (6)  

(7)  (9)   (9)  

(9)  

(1)  :  Water  Source  (2)   Drinking  water  

treatment  (3) DistribuOon  Tank  (4)   Drinking  water  

network  (5) SaOaOon  network  (6) SanitaOon  treatment  (7) Rain  network  (8) Rain  treatment  (9) Treated  water  reuse