مدیریت آب و آبیاری

مدیریت آب و آبیاری

تلفیق شبکه عصبی مصنوعی با مدل‌سازی هیدرولیکی برای تشخیص نشت در شبکه توزیع آب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی عمران و محیط زیست، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکز، تهران، ایران.
10.22059/jwim.2026.411988.1292
چکیده
تلفات زیاد نشت آب موجب نگرانی مسئولین آب کشور شده است تا جایی‌که آبفای تهران به ناچار در سال جاری برای ذخیره آب اقدام به قطع کامل شبانه در شبکه‌های توزیع آب نمود که موجب نارضایتی مشترکین و افزایش خطر ورود آلاینده به داخل شبکه شد. این پژوهش با رویکرد ترکیبی داده‌محور، شامل مدل‌سازی عددی مخزن 43 واقع در شمال شرق تهران با نرم‌افزار Water Gems و آموزش شبکه عصبی ANN با خروجی‌های فشار و دبی مدل عددی برای حالات نشت، به پیش‌بینی محل و مقدار نشت‌ها پرداخت. برای سنجش عملکرد و دقت مدل‌ها از معیارهای RMSE،MSE ،R2 بهره گرفته شد. در مدل‌سازی عددی بعد از اعمال نشت، میزان فشار به‌طور متوسط حدود 9/0 بار کاهش و مقدار دبی در خطوط اصلی حدود 35 درصد افزایش یافت. نتایج نشان داد احتمال تشخیص نشت در بازه 67 تا 88 درصد قرار داشته است. مدل تلفیقی، بعد از آموزش کامل افت فشار و افزایش دبی ناشی از نشت را با دقت بسیار بالایی تخمین زد، طوری‌که خطای پیش‌بینی در پایان دوره آموزش به چهار درصد کاهش یافت. این دقت بالا، قابلیت اطمینان مدل را برای شناسایی سریع و هدف‌مند محل نشت در شرایط واقعی تایید می‌کند. موفقیت این روش وابسته به صحت کالیبراسیون مدل هیدرولیکی و کیفیت داده‌های اندازه‌گیری شده است که در این پژوهش کالیبراسیون براساس دانش مهندسی برای زبری لوله‌ها، تلفات موضعی و ضرایب افت جزئی تا زمانی تنظیم شدند که اختلاف بین مقادیر مدل و داده‌های میدانی کم‌تر از 5 درصد باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Integration of artificial neural networks with hydraulic modeling for leak detection in water distribution networks

نویسندگان English

seyed abedin sajedi 1
Somayeh Yousefi 1
babak bayat 2
1 Department of Civil & Enviromental Engineering, CT.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Islamic Azad University, Tehran Central Branch, Tehran, Iran.
چکیده English

Excessive water losses due to leakage have become a major concern for national water authorities. In fact, the Tehran Water and Wastewater Company has been forced to implement complete nightly shutdowns in the city’s water distribution networks to conserve water, causing public dissatisfaction and increasing the risk of contaminant intrusion into the system.This study adopts a data-driven hybrid approach, combining numerical modeling of Reservoir 43—located in northeastern Tehran—using Water GEMS software, and training an Artificial Neural Network (ANN) with pressure and flow outputs from the hydraulic model under leak conditions to predict both location and magnitude of leaks.Model performance and accuracy were evaluated based on RMSE, MSE, and R² criteria. Numerical simulations showed that, after applying leak conditions, the average pressure decreased by approximately 0.9 bar, while flow rates in main pipelines increased by around 35%. The results indicated that the probability of detecting leaks ranged between 67% and 88%.Following full training, the integrated model estimated pressure drops and flow increases caused by leaks with very high precision, reducing the prediction error to 4% by the end of the training period. This high accuracy confirms the model’s reliability for rapid and targeted leak identification under real operational conditions.The success of this method depends on the accuracy of hydraulic model calibration and the quality of measured data. In this research, calibration was performed based on engineering knowledge, adjusting pipe roughness, local losses, and minor loss coefficients until the difference between modeled and field data was less than 5%.

کلیدواژه‌ها English

Hydraulic simulation
Integrated model
Neural network (ANN)
Water leakage
  1. Ali, M., Gupta, S., & Joshi, A. (2022). Hybrid modeling for leakage detection in water distribution systems using hydraulic and data-driven approaches. Journal of Water Resources Planning and Management, 148(5), 04022034.
  2. Apaydin, E., & Gunes, O. (2020). Application of Artificial Neural Networks for Leak Detection in Water Distribution Networks: A Review. Journal of Water Resources Management. 
  3. Azar, M., et al. (2022). Evolutionary optimization algorithms for enhancing ANN performance in leakage detection 
  4. Al Zahab, R. (2019). Global water loss statistics in transmission systems: A review. 
  5. Li, X., Chen, Y., & Zhao, L. (2023). Leakage localization in smart water networks using neural and reinforcement models. Water Research, 237, 119991. 
  6. Li, S., Wang, S., & Zhang, H. (2023). Performance analysis of urban water distribution networks under various leakage scenarios using WaterGEMS simulation. Journal of Water Resources Management, 37(5), 1234-1248. 
  7. Misarjani, P., Sayari, N., & Sayari, S. (2024). Leakage modeling in water supply networks using Water GEMS software and artificial neural network. Journal of Water and Sustainable Development, 8(2),20. Water, Law and Ethics. (In Persian) 
  8.  Rahmani, Z., Mosavi, A., & Sadeghi, A. (2024). Integrating numerical simulation and machine learning for early leakage detection in Iranian water networks. Environmental Modelling & Software, 180, 105512. 
  9. Rossman, L. A. (2000). EPANET 2: Users manual. U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH. 
  10. Sharma, D., Kumar, S., & Singh, R. (2021). Advances in hydraulic modeling for leak detection in aging water networks. Applied Water Science, 11(12), 227. 
  11. Tabesh, M., et al. (2003). Pressure management strategy for urban water distribution networks to control leakage and intrusion. 
  12. Yousefi Khoshqalb, H., et al. (2024). A review of methods for economic analysis of leakage in water distribution networks. Iranian Water Resources Research, 17(1), 68-101. SID. https://sid.ir/paper/954844/fa. (In Persian).
  13.  Zhou, J., Liu, H., & Wang, M. (2022). Optimization-based leak detection in pipe networks using EPANET and genetic algorithms. Journal of Hydrology, 614, 128686. 
  14.  Zhang, L., & Wang, J. (2024). Deep hybrid CNN-LSTM model for smart water leak detection. IEEE Access, 12, 87309-87318.