Dissertation/ Thesis
Innovative graph-theory solutions for the future urban water networks
| Τίτλος: | Innovative graph-theory solutions for the future urban water networks |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Martínez Álvarez, David |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat de Girona. Departament d'Arquitectura i Tecnologia de Computadors |
| Thesis Advisors: | Calle Ortega, Eusebi |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat de Girona, 2024. |
| Έτος έκδοσης: | 2024 |
| Φυσική περιγραφή: | 107 p. |
| Θεματικοί όροι: | Teoria de grafs, Teoría de grafos, Graph theory, Posicionament de sensors, Posicionamiento de sensores, Sensor placement, Xarxes d'aigua urbanes, Red de aguas urbanas, Urban water networks, COVID-19, Sequera, Sequía, Drought, Resiliència, Resiliencia, Resilience, Planificació, Planificación, Planning |
| Περιγραφή: | Urban water networks serve as lifelines for densely populated areas, ensuring access to clean water for drinking, sanitation, and industrial purposes. These infrastructures form the backbone of urban life. However, in recent years, water science has faced urgent challenges, including the need for wastewater surveillance to detect viruses and the optimization of reclaimed water networks to address water scarcity exacerbated by climate change. This thesis applies graph theory to address these challenges in urban water networks. Graph theory, which studies mathematical structures composed of nodes and edges, offers innovative strategies for enhancing network surveillance, design, and resilience. Urban water distribution networks are modeled as undirected graphs, while wastewater networks are represented as directed graphs. The research employs a five-phase methodology: literature review, data acquisition, data preparation, algorithm development, and data analysis. This process automates data gathering and processing, resulting in significant efficiencies. Girona and Lloret de Mar cities serve as case studies for testing and validating the developed algorithms. One key achievement is the development of a sewage monitoring site selection algorithm, which optimally balances coverage and interference considerations. This algorithm has proven highly beneficial for pandemic management, aiding in the early detection of COVID-19 in wastewater. After sewage network monitoring, efforts focused on improving network resilience, starting with analyzing tree root impacts on wastewater networks. A tree rearrangement algorithm was created to mitigate pipe failure risks in wastewater networks, yielding significant cost savings despite initial investments. In reclaimed water distribution networks (WDNs), two novel proposals are presented for designing resilient and cost-effective systems. These proposals compute optimal network designs, delivering reclaimed water up to three times more efficiently than manual planning. The algorithms prioritize resilience and cost savings, leading to substantial water conservation, which is crucial in drought conditions. These solutions are integrated into the REWATnet tool and repository. This doctoral thesis significantly contributes by integrating computer science, graph theory, and water sciences. It addresses pressing issues from the COVID-19 pandemic to environmental preservation and water scarcity. The innovative algorithms and tools developed enhance the efficiency, accessibility, and sustainability of urban water systems |
| Description (Translated): | Les xarxes d'aigua serveixen com a artèries vitals per a àrees densament poblades, garantint l'accés a aigua per beure, sanejament i usos industrials. Aquestes infraestructures formen els fonaments de la vida urbana. Tot i això, en els darrers anys, la ciència de l'aigua s'ha enfrontat a diversos reptes urgents, inclosa la necessitat de vigilància de les aigües residuals per detectar virus i l'optimització de les xarxes d'aigua regenerada per abordar l'escassetat d'aigua agreujada pel canvi climàtic. Aquesta tesi aplica la teoria de grafs per abordar aquests desafiaments en les xarxes urbanes d'aigua. La teoria de grafs, que estudia estructures matemàtiques compostes per nodes i arestes, ofereix estratègies innovadores per millorar la vigilància, el disseny i la resiliència de les xarxes. Les xarxes de distribució d'aigua urbana es modelen com a grafs no dirigits, mentre que les xarxes d'aigües residuals es representen com a grafs dirigits. La recerca utilitza una metodologia en cinc fases: revisió de la literatura, adquisició i preparació de dades, desenvolupament d'algoritmes i anàlisi de dades. Aquest procés automatitza el processament de dades. Les ciutats de Girona i Lloret de Mar serveixen com a estudis de cas per provar i validar els algoritmes desenvolupats. Un assoliment clau és el desenvolupament d'un algoritme de selecció de llocs de monitoratge d'aigües residuals, que equilibra òptimament les consideracions de cobertura i interferències. Aquest algoritme ha demostrat ser altament beneficiós per a la gestió de pandèmies, ajudant a la detecció precoç de la COVID-19 en aigües residuals. Després del monitoratge de la xarxa d'aigües residuals, els esforços es van centrar a millorar la resiliència de la xarxa, començant per analitzar els impactes de les arrels dels arbres en les xarxes d'aigües residuals. Es va crear un algoritme de reubicació d'arbres per mitigar els riscos de fallada de les canonades, produint estalvis de costos significatius a llarg termini malgrat les inversions inicials. Pel que fa a les xarxes de distribució d'aigua regenerada, es presenten dues propostes noves per dissenyar sistemes resilients i rendibles. Aquestes propostes calculen dissenys òptims de xarxa, subministrant aigua regenerada fins a tres vegades més eficientment que la planificació manual. Els algoritmes prioritzen la resiliència i l'estalvi de costos, conduint a una conservació substancial d'aigua, crucial en condicions de sequera. Aquestes solucions s'integren en l'eina REWATnet. Aquesta tesi doctoral contribueix significativament en el seu camp integrant la informàtica, la teoria de grafs i les ciències de l'aigua. Aborda problemes urgents des de la pandèmia de COVID-19 fins a la preservació ambiental i l'escassetat d'aigua. Els algoritmes i eines innovadores desenvolupats milloren l'eficiència, l'accessibilitat i la sostenibilitat dels sistemes d'aigua urbana Programa de Doctorat en Tecnologia |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | http://hdl.handle.net/10803/692390 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.692390 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| FullText | Text: Availability: 0 CustomLinks: – Url: http://hdl.handle.net/10803/692390# Name: EDS - TDX (ns324271) Category: fullText Text: View record in TDX |
|---|---|
| Header | DbId: edstdx DbLabel: TDX An: edstdx.10803.692390 RelevancyScore: 1383 AccessLevel: 3 PubType: Dissertation/ Thesis PubTypeId: dissertation PreciseRelevancyScore: 1383.34057617188 |
| IllustrationInfo | |
| Items | – Name: Title Label: Title Group: Ti Data: Innovative graph-theory solutions for the future urban water networks – Name: Author Label: Authors Group: Au Data: <searchLink fieldCode="AR" term="%22Martínez+Álvarez%2C+David%22">Martínez Álvarez, David</searchLink> – Name: Author Label: Contributors Group: Au Data: University/Department: Universitat de Girona. Departament d'Arquitectura i Tecnologia de Computadors – Name: Author Label: Thesis Advisors Group: Au Data: Calle Ortega, Eusebi – Name: TitleSource Label: Source Group: Src Data: TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) – Name: Publisher Label: Publisher Information Group: PubInfo Data: Universitat de Girona, 2024. – Name: DatePubCY Label: Publication Year Group: Date Data: 2024 – Name: PhysDesc Label: Physical Description Group: PhysDesc Data: 107 p. – Name: Subject Label: Subject Terms Group: Su Data: <searchLink fieldCode="DE" term="%22Teoria+de+grafs%22">Teoria de grafs</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Teoría+de+grafos%22">Teoría de grafos</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Graph+theory%22">Graph theory</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Posicionament+de+sensors%22">Posicionament de sensors</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Posicionamiento+de+sensores%22">Posicionamiento de sensores</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Sensor+placement%22">Sensor placement</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Xarxes+d'aigua+urbanes%22">Xarxes d'aigua urbanes</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Red+de+aguas+urbanas%22">Red de aguas urbanas</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Urban+water+networks%22">Urban water networks</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22COVID-19%22">COVID-19</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Sequera%22">Sequera</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Sequía%22">Sequía</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Drought%22">Drought</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Resiliència%22">Resiliència</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Resiliencia%22">Resiliencia</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Resilience%22">Resilience</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Planificació%22">Planificació</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Planificación%22">Planificación</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Planning%22">Planning</searchLink> – Name: Abstract Label: Description Group: Ab Data: Urban water networks serve as lifelines for densely populated areas, ensuring access to clean water for drinking, sanitation, and industrial purposes. These infrastructures form the backbone of urban life. However, in recent years, water science has faced urgent challenges, including the need for wastewater surveillance to detect viruses and the optimization of reclaimed water networks to address water scarcity exacerbated by climate change. This thesis applies graph theory to address these challenges in urban water networks. Graph theory, which studies mathematical structures composed of nodes and edges, offers innovative strategies for enhancing network surveillance, design, and resilience. Urban water distribution networks are modeled as undirected graphs, while wastewater networks are represented as directed graphs. The research employs a five-phase methodology: literature review, data acquisition, data preparation, algorithm development, and data analysis. This process automates data gathering and processing, resulting in significant efficiencies. Girona and Lloret de Mar cities serve as case studies for testing and validating the developed algorithms. One key achievement is the development of a sewage monitoring site selection algorithm, which optimally balances coverage and interference considerations. This algorithm has proven highly beneficial for pandemic management, aiding in the early detection of COVID-19 in wastewater. After sewage network monitoring, efforts focused on improving network resilience, starting with analyzing tree root impacts on wastewater networks. A tree rearrangement algorithm was created to mitigate pipe failure risks in wastewater networks, yielding significant cost savings despite initial investments. In reclaimed water distribution networks (WDNs), two novel proposals are presented for designing resilient and cost-effective systems. These proposals compute optimal network designs, delivering reclaimed water up to three times more efficiently than manual planning. The algorithms prioritize resilience and cost savings, leading to substantial water conservation, which is crucial in drought conditions. These solutions are integrated into the REWATnet tool and repository. This doctoral thesis significantly contributes by integrating computer science, graph theory, and water sciences. It addresses pressing issues from the COVID-19 pandemic to environmental preservation and water scarcity. The innovative algorithms and tools developed enhance the efficiency, accessibility, and sustainability of urban water systems – Name: Abstract Label: Description (Translated) Group: Ab Data: Les xarxes d'aigua serveixen com a artèries vitals per a àrees densament poblades, garantint l'accés a aigua per beure, sanejament i usos industrials. Aquestes infraestructures formen els fonaments de la vida urbana. Tot i això, en els darrers anys, la ciència de l'aigua s'ha enfrontat a diversos reptes urgents, inclosa la necessitat de vigilància de les aigües residuals per detectar virus i l'optimització de les xarxes d'aigua regenerada per abordar l'escassetat d'aigua agreujada pel canvi climàtic. Aquesta tesi aplica la teoria de grafs per abordar aquests desafiaments en les xarxes urbanes d'aigua. La teoria de grafs, que estudia estructures matemàtiques compostes per nodes i arestes, ofereix estratègies innovadores per millorar la vigilància, el disseny i la resiliència de les xarxes. Les xarxes de distribució d'aigua urbana es modelen com a grafs no dirigits, mentre que les xarxes d'aigües residuals es representen com a grafs dirigits. La recerca utilitza una metodologia en cinc fases: revisió de la literatura, adquisició i preparació de dades, desenvolupament d'algoritmes i anàlisi de dades. Aquest procés automatitza el processament de dades. Les ciutats de Girona i Lloret de Mar serveixen com a estudis de cas per provar i validar els algoritmes desenvolupats. Un assoliment clau és el desenvolupament d'un algoritme de selecció de llocs de monitoratge d'aigües residuals, que equilibra òptimament les consideracions de cobertura i interferències. Aquest algoritme ha demostrat ser altament beneficiós per a la gestió de pandèmies, ajudant a la detecció precoç de la COVID-19 en aigües residuals. Després del monitoratge de la xarxa d'aigües residuals, els esforços es van centrar a millorar la resiliència de la xarxa, començant per analitzar els impactes de les arrels dels arbres en les xarxes d'aigües residuals. Es va crear un algoritme de reubicació d'arbres per mitigar els riscos de fallada de les canonades, produint estalvis de costos significatius a llarg termini malgrat les inversions inicials. Pel que fa a les xarxes de distribució d'aigua regenerada, es presenten dues propostes noves per dissenyar sistemes resilients i rendibles. Aquestes propostes calculen dissenys òptims de xarxa, subministrant aigua regenerada fins a tres vegades més eficientment que la planificació manual. Els algoritmes prioritzen la resiliència i l'estalvi de costos, conduint a una conservació substancial d'aigua, crucial en condicions de sequera. Aquestes solucions s'integren en l'eina REWATnet. Aquesta tesi doctoral contribueix significativament en el seu camp integrant la informàtica, la teoria de grafs i les ciències de l'aigua. Aborda problemes urgents des de la pandèmia de COVID-19 fins a la preservació ambiental i l'escassetat d'aigua. Els algoritmes i eines innovadores desenvolupats milloren l'eficiència, l'accessibilitat i la sostenibilitat dels sistemes d'aigua urbana<br />Programa de Doctorat en Tecnologia – Name: TypeDocument Label: Document Type Group: TypDoc Data: Dissertation/Thesis – Name: Format Label: File Description Group: SrcInfo Data: application/pdf – Name: Language Label: Language Group: Lang Data: English – Name: URL Label: Access URL Group: URL Data: <link linkTarget="URL" linkTerm="http://hdl.handle.net/10803/692390" linkWindow="_blank">http://hdl.handle.net/10803/692390</link> – Name: Copyright Label: Rights Group: Cpyrght Data: L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ – Name: AN Label: Accession Number Group: ID Data: edstdx.10803.692390 |
| PLink | https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edstdx&AN=edstdx.10803.692390 |
| RecordInfo | BibRecord: BibEntity: Languages: – Text: English PhysicalDescription: Pagination: PageCount: 107 Subjects: – SubjectFull: Teoria de grafs Type: general – SubjectFull: Teoría de grafos Type: general – SubjectFull: Graph theory Type: general – SubjectFull: Posicionament de sensors Type: general – SubjectFull: Posicionamiento de sensores Type: general – SubjectFull: Sensor placement Type: general – SubjectFull: Xarxes d'aigua urbanes Type: general – SubjectFull: Red de aguas urbanas Type: general – SubjectFull: Urban water networks Type: general – SubjectFull: COVID-19 Type: general – SubjectFull: Sequera Type: general – SubjectFull: Sequía Type: general – SubjectFull: Drought Type: general – SubjectFull: Resiliència Type: general – SubjectFull: Resiliencia Type: general – SubjectFull: Resilience Type: general – SubjectFull: Planificació Type: general – SubjectFull: Planificación Type: general – SubjectFull: Planning Type: general Titles: – TitleFull: Innovative graph-theory solutions for the future urban water networks Type: main BibRelationships: HasContributorRelationships: – PersonEntity: Name: NameFull: Martínez Álvarez, David IsPartOfRelationships: – BibEntity: Dates: – D: 05 M: 07 Type: published Y: 2024 |
| ResultId | 1 |