Assessment of water quality responses to hydraulic transients in pipelines

Abstract

Resumo: Esta tese investiga a dinâmica intrincada dos transientes hidráulicos e seu impacto consequente na qualidade da água em sistemas de tubulação. Está estruturada em dois segmentos principais, cada um oferecendo insights únicos sobre a influência das condições hidráulicas transitórias. O primeiro segmento examina um sistema de tubulação do mundo real para entender como transientes hidráulicos de alto impacto, caracterizados por ondas de pressão, afetam parâmetros de qualidade da água, como turbidez e níveis de cloro. A análise concluiu que as variações de fluxo e pressão durante desligamentos e partidas de bombas impactam significativamente esses parâmetros, revelando a vulnerabilidade da qualidade da água em condições transitórias. Complementando esta análise do mundo real, o segundo segmento explora os transientes hidráulicos de baixa amplitude persistentes em um ambiente controlado de laboratório. Os experimentos controlados destacaram como o crescimento de biofilme e a dinâmica da comunidade microbiana são influenciados pelas condições hidráulicas, demonstrando que as condições transitórias afetam significativamente a mobilização e a resiliência do biofilme, o que pode levar à corrosão de tubulações, redução da eficiência do fluxo e contaminação da água. Ao justapor essas duas abordagens, este estudo fornece uma compreensão abrangente dos impactos dos transientes hidráulicos na qualidade da água e na integridade das tubulações. As conclusões destacam a necessidade de melhorar os protocolos operacionais, algoritmos de controle preditivo, aprimoramentos nos sistemas SCADA e modelos de gêmeos digitais. Coletivamente, essas estratégias aumentarão a capacidade das concessionárias de água de manter a alta qualidade do serviço, minimizar vazamentos e mitigar os fatores que levam à falha de infraestrutura e à degradação da qualidade da água.

Abstract: This thesis investigates the intricate dynamics of hydraulic transients and their consequential impact on water quality within pipeline systems. It is structured into two primary segments, each offering unique insights into the influence of transient hydraulic conditions. The first segment examines a real-world pipeline system to understand how high-impact hydraulic transients, characterized by pressure waves, affect water quality parameters such as turbidity and chlorine levels. The analysis concluded that variations in flow and pressure during pump shutdowns and startups significantly impact these parameters, revealing the vulnerability of water quality during transient conditions. Complementing this real-world analysis, the second segment explores persistent low-amplitude hydraulic transients in a controlled laboratory environment. The controlled experiments highlighted how biofilm growth and microbial community dynamics are influenced by hydraulic conditions, demonstrating that transient conditions significantly affect biofilm mobilization and resilience, potentially leading to pipeline corrosion, reduced flow efficiency, and water contamination. By juxtaposing these two approaches – the variable conditions of a real-world setting and the precision of a laboratory environment – this study provides a comprehensive understanding of the impact of hydraulic transients on water quality and pipeline integrity. The findings underscore the need for improved operational protocols, predictive control algorithms, SCADA system enhancements, and digital twin models. Collectively, these strategies will enhance water utilities' ability to maintain high service quality, minimize leakage, and mitigate the factors leading to infrastructure failures and water quality degradation.