Modeling Leakage in Water Distribution Systems - Diginole ...

80
Florida State University Libraries Electronic Theses, Treatises and Dissertations The Graduate School 2007 Modeling Leakage in Water Distribution Systems Kristin Brown Follow this and additional works at the FSU Digital Library. For more information, please contact [email protected]

Transcript of Modeling Leakage in Water Distribution Systems - Diginole ...

Florida State University Libraries

Electronic Theses, Treatises and Dissertations The Graduate School

2007

Modeling Leakage in Water DistributionSystemsKristin Brown

Follow this and additional works at the FSU Digital Library. For more information, please contact [email protected]

THE  FLORIDA  STATE  UNIVERSITY      

COLLEGE  OF ENGINEERING           

MODELING LEAKAGE IN WATER DISTRIBUTION SYSTEMS        

By      

KRISTIN BROWN            

A  Thesis  submitted  to  the   Department  of  Civil and Environmental Engineering   

in  partial  fulfillment  of  the   requirements  for  the  degree  of 

  Master  of  Science            

Degree  Awarded:   Spring Semester, 2007 

  

ii

The  members  of  the  Committee  approve  the  thesis  of  Kristin Brown defended on March 2, 2007.    

   ______________________________   Amy Chan Hilton   Professor Directing Thesis   ______________________________   Soronnadi Nnaji   Committee Member      __________________________________   Wenrui Huang Committee Member        

Approved:        _____________________________________________   Kamal Tawfiq, Chair,  Department of Civil Engineering        _____________________________________________   Ching‐Jen Chen,  Dean,  College of Engineering   

      The  Office  of  Graduate  Studies  has  verified  and  approved  the  above  named committee  members.   

iii

TABLE OF CONTENTS  

List of Tables ……………………………………………………………………………….. iv List of Figures ……………………………………………………………………………… v Abstract …………………………………………………………………………………….. vi  1.  INTRODUCTION…………………………………………………………..……….. 1     Historical Sources of Water Leaks ……………………………………………. 1   Consequences of Water Leaks ………………………………………………… 4   Objectives of Research …………………………………………………………. 7  2.  LITERATURE REVIEW……………………………………………………………... 9   Methods for Leak Detection ……………………………………………….…..  9   Alternatives ……………………………………………………….…..………… 12   Introduction of Computer Simulations ………………………………….…… 14   Background …………………………………………………………..…….…… 20  3.  METHODOLOGY ………………………………………………….……………….. 23   Background …………………………………..………………………..………… 23   Overview of Research Tasks………………..……………………..…………… 27   WaterCAD Modeling Software……………..…………………….…………… 27   Development of WaterCAD Model………..……….…………….…………… 29  4.  RESULTS ….…………………………………………………..……………………… 33  5.  DISCUSSION ………………………………………………….…………………….. 53   Possible Modeling Errors/Calibrations……………………………..………… 53   Discussion of Results…………………………………….……………………… 54   Additional Experiments – Scenario 7 and Scenario 8 ……………………….. 59  6.  CONCLUSION……………………………………………………………………….. 63   Summary of Research Results………………………….…………….………... 64   Limitations of Work …………………………………………………..………... 67   Future Work …………………………………………………………...………... 68  REFERENCES………………………………………………………………………………. 70    BIOGRAPHICAL SKETCH……………………………………….………………...…….. 73 

 

iv

LIST OF TABLES  

TABLE 3.1:  Experimental Results …………………………………………………….…  25 TABLE 3.2:  Characteristics of Pipes within the WaterCAD Model ………………….  30 TABLE 3.3:  Explanation of Each Scenario …………………………………………..….  32  TABLE 4.1:  Calibration Results – No Leak Scenario ………………….………………. 33 TABLE 4.2:  Pressure Measurements under Scenario 1‐3 …………….…………….…. 35 TABLE 4.3:  Differential Pressure Measurements for Scenario 1‐3….……………..…. 36 TABLE 4.4:  Pressure Measurements under Scenario 4‐6 ……………………………..  38 TABLE 4.5:  Differential Pressure Measurements for Scenario 4‐6 ….…………….…. 39 TABLE 4.6:  Power Usage for Scenarios 1‐6 ………………………….…………………. 40 TABLE 4.7:  Pipe Head Losses in Scenario 0‐3 …………………………………………. 42 TABLE 4.8:  Pipe Head Losses in Scenario 4‐6 ………………………………………….. 43  TABLE 5.1:  Pressure Measurements from Scenario 7 and Scenario 8 ……………….. 61  

v

LIST OF FIGURES  FIGURE 1.1:  Distribution System Losses ………………………………………………. 3 FIGURE 1.2:  Water System Usage ………………………………………………………  6  FIGURE 2.1:  Typical Pressure Dependent Demand Curve ………..……….………… 17   FIGURE 2.2:  Water System Hydraulic Grade Line …………………………….……… 21 FIGURE 2.3:  Schematic View of a Diffuser …………………………………………….. 22  FIGURE 3.1:  Experimental Facility at Instituto Superior Tecnico…………………….. 24 FIGURE 3.2:  Transient Pressure at Six Measurement Sites…………………..……….. 26 FIGURE 3.3:  Enlarged View of Transient Head at T1 Transducer …………………… 26 FIGURE 3.4:  WaterCAD Model Setup ………………………………………………….. 29  FIGURE 4.1:  Pressure Profile Path for the Left Side of Model ……………………….. 44 FIGURE 4.2:  Left Side Pressure Profile for Scenario 0‐6……………………………….. 45 FIGURE 4.3:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Left Side) …………..…….. 46 FIGURE 4.4:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Left Side) ……………..….. 46 FIGURE 4.5:  Pressure Profile Path for Middle of Model ……………………………... 47 FIGURE 4.6:  Middle Pressure Profile for Scenario 0‐6……………………………..….. 48 FIGURE 4.7:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Middle) …………….…….. 48 FIGURE 4.8:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Middle) …………….…….. 49 FIGURE 4.9:  Pressure Profile Path for the Right Side of Model …………….……….. 50 FIGURE 4.10:  Right Side Pressure Profile for Scenario 0‐6……………………..……..  51 FIGURE 4.11:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Right Side) ………..…….. 51 FIGURE 4.12:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Right Side) ………..…….. 52    

vi

ABSTRACT    Due  to  the  continuous need  to  improve water  supply  sources, water operators 

are looking towards ways to conserve water and protect water quality through leakage 

protection.   Currently  computer  generated models  have  been used  to  try  to  identify 

leakage areas and develop a  relationship between  leakage and pressure variations  in 

water systems.   The method of the leakage prediction has used both transient analysis 

and  inverse  transient  analysis  to  determine  the  relationship  between  leakage  and 

pressure variations.   Currently  there has been  limited  success  in both  these methods.  

The experiment expressed  in  this research will explore  the accuracy of  the WaterCAD 

software  to develop a relationship between pressure variations and  leakage quantities 

and  leakage  locations.    Engineers  and  owners  of water  systems  use  the WaterCAD 

software to develop models of both proposed and existing water distribution systems.  

If  these  same models  could  be  calibrated  using  post‐condition  pressure  values  and 

using  system  parameters  (roughness  coefficients,  etc.)  pressure  differences  in  the 

system  which  do  not  match  the  calibrated  computer  generated  model  could  be 

identified thereby indicating a leakage and possibly suggest a location for the leakage. 

Using  a  previous  transient  experiment  for  both  reference  and  calibration,  the 

effects of  leakage on pressure variations within  a distribution  system were  explored.  

The  results  found within  this experiment suggest  that  there  is a  relationship between 

pressure variations and leakage quantities.  The location of leakage areas also affects the 

pressures within the distribution system.   By examining the results of this experiment, 

both  engineers  and water  operators  can  learn  how  leakage  affects pressure within  a 

water system and become more aware of these symptoms for leakage prevention. 

  

1

CHAPTER 1 

INTRODUCTION 

 

Historical Sources of Water Leaks  

  In the last decade the changing climatic condition, in which the extreme events of 

floods and droughts have been  increasingly more  frequent, have  led  to shortages and 

water  restrictions  in  many  countries.    As  a  result,  leakage  control  and  demand 

management have become high priorities for water supply utilities and authorities. 

  One early survey revealed that Chicago was pumping more than twice the water 

required, a level still not rare today.  A typical range for unaccounted for water (UFW) 

in Europe is 9‐30%, while rates for Malaysia of 43% or for Bangladesh of 56% have been 

reported.    In North America,  Brothers  (2001)  suggests  that  some  utilities  experience 

water losses of 20‐50%.  Leakage is the dominant component of unaccounted for water 

(Colombo, Karney, 2002). 

  The American Water Works Association has identified three major categories of 

“losses” in a water distribution system.  These categories are: 

1.  Accounted for losses 

2.  Real losses 

3.  Apparent losses 

  Accounted  for  losses  occur  at metered  locations.   Water meters  are  typically 

placed at service connections  to monitor  the amount of water  that a billable customer 

uses and may also be placed on service connections to non‐paying customers who put 

the water  to beneficial use.   Non‐billable customers  typically  include municipal users 

and the fire stations.   All water that  is metered, whether billable or un‐billable, can be 

identified and quantified by  the utility so  that accurate records of water usage can be 

2

recorded.   All usage of water which  is metered, regardless of billable or un‐billable,  is 

classified as accounted for losses. 

  Real  losses are  the physical  losses of water  from  the distribution system which 

cannot be tracked by the utility.  Typically they occur because the utility did not meter 

the  quantity  of  water  leaving  the  plant.    These  losses  inflate  the  water  utility’s 

production costs and stress water resources since they represent water that is extracted 

and  treated,  yet  never  reaches  beneficial  use.    Examples  of  this  type  of  loss  include 

leakage, storage overflows and breaks in the water mains.  

  Controlling real  losses effectively relies up on a proactive  leakage management 

program which will include a means to identify hidden leaks, optimize repair functions 

and upgrade piping infrastructure before its useful life ends.  Many effective strategies 

now  exist  to allow water utilities  to  identify, measure,  reduce or  eliminate  leaks  in a 

manner  that  is  consistent with  their  cost of doing business.   This  research will  focus 

primarily  on  the  real  losses within  a water  system  and  try  to determine  a means  to 

identify leaks through pressure variations. 

  The  third  type of water  loss, apparent  losses, are  the paper  losses  that occur  in 

utility  operations  due  to  customer  meter  inaccuracies,  billing  system  data  error, 

unauthorized  consumption  and  authorized  un‐metered  consumption.    This  is water 

which is consumed but not properly measured, accounted or paid for.  These losses cost 

utilities revenue and distort data on customer consumption patterns.   Authorized un‐

metered consumption  losses are  typically put  to beneficial use by  the municipality or 

utility and are commonly used for flushing water mains and fire fighting. 

  Because  providing  quality  drinking  water  is  a  critical  service  that  generates 

revenues for water utilities, specific measures can be taken to prevent apparent losses.  

These  revenues  rely upon efficient systems of customer metering, meter  reading, and 

billing  that  prevent  revenue  loss  from  occurring.    By  assessing  their  policies  and 

3

mapping the working of the customer billing system for a flow chart, errors within the 

system can be located (AWWA, 2006).  

 

 

  Leaks in pipe networks can result for several situations.  A water operator must 

have  an understanding  of  the  causes  of  leaks  so  that  they  can  be  both  repaired  and 

prevented in the future.  The main source of leaks in water mains is external corrosion.  

Corrosion is the root, if not the immediate, cause of most breaks in metal pipes.  Some 

researchers  believe  that  corrosion  occurs  due  to metals  have  a  natural  tendency  to 

return  to  their  ore  state  (Stathis,  1999).    Because  corrosion  is more  susceptible  in  a 

specific environment, pipes in wet, humid soils are more likely to corrode externally as 

compared  to pipes  in drier  soils.   The  low  redox potential and  low  resistivity  in wet 

soils  lead  to  significant  corrosion  problems.    Several  other  factors  can  work  with 

corrosion to cause leakage.  These factors include physical pipe characteristics, soil type, 

pressure within the water system, and installation procedures.  As the pipes within the 

system age, they have a higher tendency to be susceptible to weakness.  A good water 

operator  should know  the  types of pipes within  the  system and be  cautious of areas 

susceptible to water main leaks or ruptures.  

  Although it may seem obvious to properly utilize leak reduction methods for the 

financial  benefits,  there  are  several  additional  reasons  to  implement  these methods.  

TOTAL WATER WITHIN

DISTRIBUTION SYSTEM

ACCOUNTED FOR LOSSES

1. Metered Potable Water

REAL LOSSES

1. Leakage

2. Breaks

3. Storage Overflow

APPARENT LOSSES

1. Fire Fighting

2. Flushing Mains

3. Meter Inaccuracies

Figure 1.1: Distribution System Losses (AWWA, 2006)

4

Other  reasons  for  controlling  leakage  within  a  water  distribution  system  include:  

(Stathis, 1999) 

�  Avoided costs for treatment plant and distribution system expansion 

�  Increased knowledge of the water distribution system 

�  Reduced risk of water contamination  

�  Increased fire fighting capability 

�  Less wear and tear on pumps, treatment plants and distribution systems due to 

less water going into the system 

�  Less property damage resulting in fewer insurance claims or lawsuits 

�  Enhanced public relations through more efficient service to customers 

�  Delayed expansion of treatment plant and distribution system 

�  More efficient leak repair, resulting in fewer “surprise” leaks or breaks 

�  Less overtime required of utility workers for fixing leaks at odd hours 

�  Reduced flow to wastewater treatment plants due to less inflow into sanitary or 

combined sewers 

�  Improved overall environmental quality 

�  Increased revenue to the utility 

 

Consequences of Water Leaks 

  Leakage  in  a  pipe  network  incurs  several  consequences  on  utilities  and 

agricultural users.    It can contribute  to  the cost of pumping,  treating and distributing 

water to be unnecessarily higher than normal.  When treatment of the potable water is 

utilized,  chemicals  and  energy  are  used  to  treat  the  quantity  of  water  produced.  

However, due to the  leakage within the system, more resources (especially chemicals) 

are  being  used  than  are  normally  required.    This  additional  usage  can  add  up  to 

significant cost  for  the utility over  time.   Because  there  is no return on  this additional 

5

treated water, the utility will suffer a temporary financial loss and shift this cost/loss to 

the consumer by dividing the total cost among the paying customers. 

  If  extreme  leakage occurs,  it  can  cause utilities  to  look  forward and develop a 

plan  to  expand  the  existing water  treatment plant.   Premature  expansion  of  a water 

treatment  plant  may  incur  unnecessary  costs  that  could  be  avoided  simply  by 

increasing  the  capacity  of  the  distribution  system  through  leak  detection  and  repair 

programs.  If the leakage occurs in areas of extreme dryness or areas prone to drought, 

it can cause utilities to prematurely develop alternative water sources.  Water resources 

in  these  areas  are  precious  and  in  short  supply.   Any  effort  to  conserve water  and 

eliminate waste  in a water distribution system will provide great benefits  in  terms of 

delaying further development of water resources. 

  Aside  from  monetary  consequences  of  leakage  within  a  water  system, 

environmental  consequences  should  not  be  overlooked.    The  main  environmental 

concern  with  leakage  is  the  fact  of  any  opening  in  a  pipe  will  allow  potential 

contaminants  to  enter  the water  supply.   The water  quality  can  be  compromised  by 

unwanted  sediment and chemicals entering  the network,  thereby posing a hazardous 

situation to the community. 

  Other  environmental  concerns  which  could  occur  during  extremely  large 

quantities of  leakage  include  the effects of  the groundwater and  the effects on a  local 

sanitary sewer system.  Should the large leakage seep to the groundwater level it could 

cause an unwanted rise in the water table.  If the additional water from leakage should 

flow into the sanitary sewer system, the extra flow could increase the necessary capacity 

of the wastewater plant thereby incurring greater treatment costs and the expansion of 

the wastewater  treatment  facility.   If sewer pipes cannot sufficient hold  the additional 

volume, combined sewer overflows could provide harm to the receiving waters. 

  The  ultimate  goal  of  any water  utility  should  be  to maximize  the  quantity  of 

revenue‐producing water in the system.  It is estimated that 70% of the water produced 

6

by a utility shows a form of return on investments in the form of metered water sales.  

The remaining 30% of water produced does not produce any revenue for the utility.  It 

is also estimated that 14% of the water which does not produce revenue  is  lost due to 

underground leakage in water mains.  Inaccurate meter readings account for 10% of the 

non‐revenue produced usage (Stathis, 1999). 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

  The  amount  of  real  losses  and  unaccounted  for  losses  in  a  system  must  be 

determined  before  an  evaluation  of  the  pipe  network  and  its  ability  to  function 

adequately in terms of reliability and service can be determined.   It is detrimental to a 

utility to known whether their system is functioning as it was designed.  If these losses 

are excessive  then remedial measures should be  taken  to restore  the system  to  its  full 

capacity (Stathis, 1999).   The repair of inaccurate water meters and leaks within mains 

should be focused on primarily.   This research will focus on developing a relationship 

between  the  pressure  variations  within  a  water  system  caused  by  leakage.    By 

examining both the leakage quantity and leakage location and their effects on pressure 

variations, a relationship between  leakage and pressure fluctuations will be  identified.  

It  is  possible  that  this  relationship  between  leakage  and  pressure  will  allow  water 

utilities to identify is losses are occurring within the water system. 

 

10%

6%

14%

70% 30%

Produces Revenue

Produces No Revenue

Lost due to Leakage

Inaccurate Meters

Other

Figure 1.2: Water System Usage (Stathis, 1999)

7

Objectives of Research  

  Because the transient analysis is dependent upon pressures within the system to 

determine the location of leaks within the system, it is questioned as to whether reliance 

on pressures alone can determine the  location of  leaks.   This research will analyze the 

accuracy of pressure dependence on  leak detection and determine whether  there  is a 

relationship between the pressures within a water system and leakage.  With the use of 

the hydraulic computer simulation software WaterCAD different leakage scenarios will 

be  created.   These  scenarios will vary both  the  leakage quantity at a  specific node as 

well as the leakage location.  Pressure variations due to these scenarios will be observed 

and duly noted  so  that  any  relationship between both  leakage  location  and pressure 

fluctuations  can  be  derived.    The  relationship  between  pressure  variations within  a 

water  system  and  various  leakage  flow  rates  will  also  be  evaluated.    If  there  is  a 

relationship between pressure variations and quantity of  leakage,  it  is possible water 

system operators  could  record unusually  low pressures or pressure decreases within 

the system and potentially locate the area of leakage. 

  Typical  computer programs which  simulate water  system usage and pressures 

rely on the continuity equation to calculate the flow throughout the water system.  If all 

the water usage quantities  throughout  the water system are known,  it  is possible  that 

potential leakage could be identified solely based on the continuity equation.  However, 

it is often difficult for water system personnel to accurately track every gallon of water 

which  leaves  the  plant  site  for  potable  usage.    Typically  water  operators  rely  on 

pressure data  at  certain  areas within  the  system  to  acknowledge whether  a problem 

may be occurring within  the  system.    In  fact,  even  citizens  can notice unusually  low 

pressures within the system and refer this information to the water utility as a possible 

problem area.  Because pressure is commonly used to acknowledge potential problems 

(including  leakage)  it  is  important  to  note  the  relationship  between  pressure  and 

8

leakage.   Perhaps the relationship between pressure variations and leakage could help 

operators  identify  the  possibility  of  a  potential  leak  based  on  the  variations  from 

“normal” pressures within the system. 

  The  accuracy  of  the  computer  simulation  as  compared  to  laboratory data will 

also be examined.  It is vital that the software used for these simulations has the ability 

to produce highly comparable calibrated results as computer simulations are used more 

frequently to design water systems and water system upgrades.  The importance of the 

WaterCAD software is discussed in greater depth in Chapter 3. 

 

9

CHAPTER 2 

LITERATURE REVIEW 

 

Methods for Leak Detection  

  In the last decade, leakage reduction and control has become a high priority for 

water  supply utilities  and  authorities.   Through much  research over  the past decade 

several methods  have  been  developed  for  detecting  leaks within water  distribution 

systems.   Consequently,  there has been a  significant  interest  in  the application of  the 

Inverse  Transient Analysis  for  leak  detection  and  calibration  in water  pipe  systems 

(Covas and Ramos, 2003). 

  In  1994  two professors, Liggett  and Chen,  at Cornell University developed  an 

innovative technique to determine, from unsteady pressure traces at a number of nodes 

in  the network,  the  locations and magnitudes of any  leaks  that are occurring and  the 

friction  factor  for each pipe  in  the network  (Vitkovsky et al, 1999).   This  technique  is 

known as the inverse transient analysis.   They hypothesized that the leakage locations 

could be  identified with  the use of generating  transients within a water system rather 

than using steady state analysis.  The results of their research concluded that the use of 

hydraulic  transients  would  in  fact  provide  results  that  could  produce  pressure 

variations which would  strongly  suggest  the  possible  location  of  leaks.    Part  of  the 

accuracy obtained from the inverse transient analysis is due to the ability of this method 

to correctly simulate the friction factors within pipes of the system. 

  Over time, the friction factor of a pipe changes due to tuberculation or the build 

up of deposits on  the pipe wall.   This can cause friction  factor values  to  increase with 

age.  Different pipes in a network are subject to different conditions including variations 

in  dissolved  solids  loadings,  flow,  pressure  and  temperature.    Thus,  in  an  aging 

network,  reliable  estimates  of  friction  factors  can  be  difficult  to  obtain.    Pudar  and 

10

Liggett (1992) introduced the inverse steady state analysis that used a set of measured 

steady state pressure data at different nodal positions to both calibrate pipe roughness 

and  locate  leaks  in  pipe  networks.    They  developed  a  looped  network with  several 

leakage nodes  in  the system.   Using steady state data  they calibrated  their model and 

solved for the head measurements at the leakage nodes, comparing the calculated head 

measurements with  the head measurements used  for  calibration.   Pudar  and Liggett 

concluded that leak detection by static methods is unlikely to provide definitive results 

that would  supersede more  conventional methods.    However,  the  inverse  problem 

could serve as a supplement to leak surveys.  The effectiveness of inverse type problems 

relies solely on large quantities of accurate data.   The existence of massive data makes 

the inverse problem both solvable and correct information is more likely to be derived 

from the computer simulation.   The purpose for the research performed by Pudar and 

Liggett was primarily  to  compare  the  results  of  the undetermined problem with  the 

results from the over determined problem.   

  A potential problem predicted by Pudar and Liggett (1992) was the applicability 

of  their solution method  to very  large water distribution networks.   Liggett and Chen 

posed  a  solution  to  this  potential  shortcoming  that was  to  use  analysis  of  transient 

events rather than steady state calibration (Vitkovsky et al, 1999). 

  Another inverse transient analysis experiment was performed in 2003 by Covas, 

Ramos, Graham, Maksimovic, Kapelan,  Savic  and Walters.    The  research work was 

performed  jointly by Exeter University and  Imperial College, both  located  in London, 

U.K.    The  application  of  inverse  transient  analysis  was  tested  using  physical  data 

collected  in  the  laboratory  and  under  quasi‐field  conditions.    The  inverse  transient 

analysis proved to be successful in the detection and location of leaks of a ‘reasonable’ 

size,  provided  that  physical  and  hydraulic  characteristics  of  the  system  are  known.  

Leak  location uncertainties depended on  the  leak  size  and  location,  flow  regime  and 

location  where  the  transient  event  is  generated.    Although  further  research  was 

11

necessary  to  assess  the  success  of  this  technique  in  real  life  systems,  the  inverse 

transient  analysis  appears  to  be  useful  for  the  diagnosis, monitoring  and  control  of 

existing  systems,  not  only  to  estimate  leak  locations  and  sizes,  but  also  for  a  better 

understanding of  the  causes of pipe bursts  induced by  transient  events  (Covas  et  al, 

2003). 

  In  essence, hydraulic  transients  are pressure waves  that propagate  in  the pipe 

system as a response to relatively rapid flow adjustments.  Transients have the potential 

to burst a pipe  (due  to high pressure) or  to cause  regions of  low pressure of vacuum 

conditions.  Specifically, leaks may enhance the likelihood that foreign matter is drawn 

into a pipe when a  low pressure  transient  event occurs.   Matter drawn  into  the pipe 

might include potentially toxic pollutants, pathogens, and soil constituents.  Pathogens 

pose a direct health risk by increasing the likelihood of waterborne disease and certain 

soil  compounds,  though  not  directly  toxic,  may  act  as  disinfectant  byproduct 

precursors.   The extent of  transient  intrusion depends on  the severity and duration of 

internal  pressure  changes,  the  external  groundwater  pressure,  and  the  orifice 

parameters of the leak (Colombo and Karney, 2002). 

  Transient  analysis  has  historically  been  used  during  the  design  period  to 

simulate  the effects of  leaks and  transients  in a water system.   Through  this  transient 

analysis,  it  can  be  determined whether  pipe  sizes  are  adequate  to  handle  potential 

surges which may  occur during  the  life  of  the water  system.   The  transient  analysis 

utilizes prevention of  line ruptures or breaks as compared  to  locating  leaks after  their 

occurrence.   Research,  as  that previously mentioned, has used  transient  analysis  and 

inverse  transient analysis  to determine whether  leaks  can accurately be  located using 

known pressures from areas of concern in an existing water system.   

12

Alternatives  

  Although  the  use  of  pressure  results  from  laboratory  experiments  to  possibly 

determine  leakage  locations  (i.e.  transient  analysis)  has  gained  popularity  there  are 

other methods which have gained recognition as well.  These methods include:  genetic 

algorithms, acoustic emission testing and inverse transient analysis. 

  Genetic algorithms mimic  the way populations of  species genetically evolve  to 

suit  their  environment  over many  generations.   Using  this  analogy  a process  can  be 

used  to  evolve  a  population  of  potential  solutions  representing  engineering  design 

problems  towards  improved  solutions.    These  solutions  will  satisfy  the  specified 

constraints while minimizing or maximizing one or more objective functions (Vitkovsky 

et al, 2000). 

  Acoustic  emission  testing  (AET)  is  currently  being  implemented  in  the  field 

today  to detect  leaks  on  existing water  systems.   This method  is  effective because  it 

utilizes  sensors  to  detect  the  sound  of  leakage  beneath  the  ground.   When  a  pre‐

stressing wire breaks or releases pre‐stress, it generates a sudden release of energy that 

can be detected using an appropriate sensor.  The sound from such an event is known 

to propagate  through  the pipe core,  inducing vibration  in  the pipe wall, and  into  the 

column  of  water  within  the  pipe.    Recent  advances  in  instrumentation  and  sensor 

technology  have meant  that  it  is  possible  to  use  of  non‐intrusive,  surface mounted 

accelerometers  instead  of  hydrophones.    The  use  of  these  sensors mounted  on  the 

surface of prestressed concrete pipe has negated the need to tap the pipelines to allow 

the  insertion  of  hydrophones.    In  addition,  because  of  the  use  of  surface mounted 

accelerometers, acoustic monitoring of water mains can be conducted without worrying 

about occupational safety  issues.   Specifically,  if the baseline condition of a pipeline  is 

well understood, acoustics offers a powerfully view into the ongoing health of the line 

(Kong and Mergelas, 2005). 

13

  This method is generally expensive to use and therefore is more cost efficient if 

used with another leakage detection method.  If the location of possible leaks could be 

confined to a general area of the water distribution system using the transient analysis, 

the acoustic emission testing could be used to locate the exact location of pipe in which 

the leak occurs.   

  Another  successful way  to  control  leakage  is  to  construct  a water main  break 

database.    To  reduce  contamination  risks  and  optimize  investments  in  aging 

infrastructure,  a utility must  be  able  to predict  breaks.   Break prediction  is possible, 

however, only  if  the utility possess reliable data on  factors such as pipe age, diameter 

and material, along with  the number and nature of all breaks.   Surveys and  literature 

indicate that such data are typically scarce.  Collecting, recording, and monitoring break 

data are important to utility managers because the information can yield insights in to 

the management of  the entire network.   The analysis of water main breaks, although 

vital  to  the health of a distribution  system,  is  limited by  common utility  challenges – 

limited personnel and  resources, missing and conflicting data, and non‐computerized 

information.   Most municipalities do have  some  information  about  their water pipes 

and conditions, but few have been maintaining records of pipe breaks for longer than a 

decade.  In addition, very little information is typically available about individual pipes 

in a given network (Wood et al, 2007).  

  Many  utilities  have  developed  improved  data  acquisition  and  management 

strategies  for water main breaks  in  recent years.    In  some  cases,  they are using  third 

parties  to  obtain  and  analyze  specialized  data  such  as  soil  conductivity.   Wood  and 

Lence  (2006)  surveyed North American utilities and  conducted detailed  interviews  to 

determine the richness of data available for analyzing water main breaks.  They observe 

that  break  information  varies widely  among  utilities  and  that many  utilities  do  not 

collect  data  of  the  breadth  and  richness  necessary  for  comprehensive  analyses.  

Determining  the exact  condition of buried pipes  is difficult because  they do not  lend 

14

themselves  to  comprehensive  inspection.   At  a minimum, utilities  should maintain  a 

database  of  water  main  breaks  because  the  occurrence  of  breaks  may  reflect  pipe 

conditions.  In addition, the number of annual water main breaks is typically used as a 

surrogate for the condition of the network.  Breaks do not, however, necessarily reflect 

pipe condition because breaks can result pipe condition because breaks can result from 

a  number  of  causes  (e.g.,  damage  from  adjacent  construction  or  frost  heave).    The 

hydraulic model and the pipe network often do not have a one‐to‐one relationship, and 

the hydraulic model is commonly a skeleton of the network (where a link in the model 

may actually represent a number of pipes in the real system) (Wood et al, 2007). 

 

Introduction of Computer Simulations  

  Only  a  few  years  ago,  these  solutions were made  by  a  trial  and  error  hand 

computation,  but  recent  applications  using  digital  computers  have  made  the  older 

methods obsolete.   Even with these advances the engineer charged with the design or 

analysis of such a system must understand the basic hydraulics of the system to be able 

to interpret the results properly and to make good engineering decisions based on the 

results. 

  In order for an engineer to predict pressures throughout the network for various 

operating conditions, the solution of the problem must satisfy three basic requirements 

(Roberson et al, 1998): 

 

1.  Continuity must be satisfied.  That is, the flow into a junction of the network must 

equal the flow out of the junction.  This must be satisfied for all junctions. 

 

2.  The head loss between any two junctions must be the same regardless of the path 

in  the  series  of  pipes  taken  to  get  from  one  junction  point  to  the  other.    This 

15

requirement  results  because  pressure  must  be  continuous  throughout  the 

network  (pressure  cannot have  two values  at  a given point).   Therefore,  if we 

consider flow around a given loop of a network, the summation of head loss for 

flow  in  pipes  with  a  clockwise  sense  around  the  loop must  be  equal  to  the 

headloss for flow having a counter‐clockwise sense around the loop. 

 

3.  The flow and head loss must be consistent with the appropriate velocity‐head loss 

equation. 

   

  Computer  simulations  of  water  systems  have  become  a  vital  tool  for  water 

supply utilities and consultants.  However, one of the largest unknowns in developing 

these models is the condition of the pipes, particularly the older pipes.  This unknown 

contributes  greatly  to  the  estimation  of  friction  factors.    It  is  very  difficult  to  obtain 

reliable  estimates  of  the  roughness  for  each  pipe  in  the  system  using  steady  state 

analysis. 

  A water distribution model  is  created by using a  link‐node  formulation  that  is 

governed  by  two  conservation  laws,  namely  mass  balance  at  nodes  and  energy 

conservation around hydraulic loops.  The node is a point where water consumption is 

allocated  and  defined  as  demand, which  is  treated  as  a  known  value  so  that  nodal 

hydraulic head can be solved.  This formulation is valid only if the hydraulic pressures 

at all nodes are adequate so that the demand is independent of pressure.  All nodes are 

connected by pipes.  The characteristics of each pipe (i.e. diameter, material, roughness 

coefficient, length, etc) can be defined in the model.  Other hydraulic structures such as 

wells,  tanks, pumps, and  reservoirs  can be  incorporated within  the model  so a more 

accurate model can be generated, hence more accurate results. 

  There are several types of computer programs which simulate the conditions and 

pressures  of  a  water  system  using  the  parameters  previously mentioned.    Popular 

16

computer  programs which  simulate  both  steady  state  and  extended  period  analysis 

include  WaterCAD  and  EPANET.    Much  research  has  been  completed  using  the 

EPANET  software which was  originally  developed  by  the Water  Supply  and Water 

Resources  Division  (formerly  the  Drinking  Water  Research  Division)  of  the  U.S. 

Environmental  Protection Agencyʹs National  Risk Management  Research  Laboratory 

(User’s Manual,  2000).    It  is  public  domain  software  that may  be  freely  copied  and 

distributed,  however  there  is  no  formal  support  offered  for  EPANET.    Both  the 

WaterCAD and EPANET  softwares have  the  capabilities  to perform  extended period 

simulations and determine water quality behavior within pressurized pipe networks.  

EPANET is typically used by researchers due to the free availability while engineers are 

more prone  to utilize  the WaterCAD software because of  its user  friendly capabilities 

and technical support. 

  A  limitation of both  the EPANET and WaterCAD software  is  the  lack of use of 

the  pressure  dependent  demand  function  to  calculate  the  pressures within  a water 

system.  A typical pressure dependent demand power function is illustrated in Figure 3.  

As can be seen in the figure, the actual demand increases to the full requested demand 

(100%) as pressure increases, but remains constant after the pressure is greater than the 

pressure  threshold,  namely  the  percent  of  pressure  threshold  is  greater  than  100%.  

Pressure percentage  is the ratio of actual pressure to a nodal threshold pressure while 

demand percentage  is  the ratio of  the calculated demand  to  the reference demand  (Yi 

Wu et al, 2006). 

  Pressure  may  drop  below  a  reference  level,  so  called  reference  pressure  for 

supplying 100% of the desired demand or reference demand.  Whenever the pressure is 

below  the  reference  pressure,  nodal  demand,  the  water  available  at  a  location,  is 

certainly  dependent  on  the  pressure  at  the  node.    In  other  words,  unlike  the 

conventional approach of demand driven analysis, demand is a function of pressure in 

pressure dependent demand. 

17

 

 

Figure 2.1:  Typical Pressure Dependent Demand Curve (Yi Wu et al, 2006) 

 

  Walski (2006) noted that pressure reduction within a distribution system may not 

only decrease  leakage rates  from existing  leaks but also may reduce  the rate at which 

new leaks occur.  Walski determined that when pressures were reduced, the percentage 

of  unaccounted  for  water  was  reduced  from  21.6  to  15.0%.    Simply  reducing  the 

pressure at the source results in a number of undesirable consequences.  Most notably, 

the pressure to customers in higher elevations is reduced and the number of nodes in a 

model with unacceptable pressure increases.  It is possible that low pressure problems 

can be avoided by reducing the pressure only during nighttime hours.   Of course, the 

potential  for  reducing  leakage  is  reduced  and  the  effect  on  customer  pressure  is 

minimized.    If  this  alternative  is  taken  it  is  recommended  the pressure be decreased 

after 9 p.m. and before 6 a.m. 

  In inverse problems we know the characteristics of the system and the demands, 

but some quantities are unknown.   These unknown quantities correspond  to  leaks, or 

18

unaccounted outflows.   If the known quantities are extended to a sufficient number of 

pressures we can, in principle, find the leaks.  The inverse problem can be formulated in 

many  different  ways.    In  the  case  of  design  we  know  the  demands,  have  target 

pressures  and would  like  to  determine  the  characteristics  of  the  system  to meet  the 

demands and pressures. 

  There  are  three  major  types  of  classification  for  inverse  problems.    Inverse 

problems  can  be  even‐determined where  a  pressure  or  flow  rate  is  given  for  every 

unknown  demand  or  parameter,  underdetermined where  there  are more  unknowns 

than  equations,  or  overdetermined  where  there  are  more  extra  measurements  and 

equations than unknowns.  The latter case is the most desirable form the point of view 

of parameter determination or  leak detection as  it gives  than dependable  results.   An 

underdetermined  system, however,  can  still give  information.   Computer  simulations 

are very useful  for solving  the underdetermined system solutions.    In addition  to  the 

aforementioned categories a system can be mixed‐determined where there are as many 

or more measurements and equations than unknowns, but still insufficient information 

to find a unique solution to the problem (Pudar and Liggett, 1992). 

  Modeling leakage depends on understanding the hydraulics of leaks and how to 

incorporate  those  hydraulics  into  existing models  of  the water  distribution  system.  

Existing models attempt to model leakage using some approximation of the orifice flow 

equation.    A  general  form  of  the  orifice  flow  equation  is  used  to  estimate  the 

effectiveness of pressure reduction is shown below: 

       (Eqn. 1) 

 

in which P1 is the pressure inside the pipe, Q1 is the flow from the leak at pressure i, N is 

the  exponent  relating  flow  and  pressure,  subscript  1  is  the  condition  before  the 

implementation  of  the  corrective  measure,  and  subscript  2  is  the  condition  after 

19

implementation.    If  the  leakage  at  one  pressure  is  known,  the  leakage  at  another 

pressure  can  be  determined with  Equation  1.    If  the  leak  behaves  as  an  orifice,  the 

exponent N is 0.5.  Hikki found exponents of 0.5 for holes drilled in pipes.  Ashcroft and 

Taylor found values for slits ranging from 1.39 to 1.72 (Walski et al, 2006).  Most leaks 

that persist  tend  to be smaller  leaks with a  fixed orifice size.   Larger  leaks are usually 

found and repaired quickly. 

  Equation  1  compares  the pressure  from  two  leakage areas  so  that  flow  can be 

determined  at  one  of  the  sites.    However  if  the  pressures,  both  upstream  and 

downstream, of a single leak need to be compared the following orifice equation should 

be used (Alonso et al, 2000): 

  q = K(p1‐p2)   (Eqn. 2) 

 

  Taking into account that permanent leakage is the consequence of defects in the 

network,  leakage  characterization  may  be  based  on  the  equation  for  a  discharge 

through an orifice.   Parameters within this equation  include p1 = pressure upstream of 

the orifice, p2 = pressure downstream of the orifice,   = exponent taking the value of 0.5 

according to both theory and  laboratory experiments and K = coefficient that depends 

on the shape and size of the orifice. 

  Previous research shows that more scientists and engineers are depending upon 

computer  simulations  to  design  water  systems.    The  speed  of  the  computers  and 

accuracy  of  certain  softwares  is  sufficient  to  provide  accuracy  to  the  design  of 

distribution  systems, water  plant  improvements,  fire  flow  tests,  pressure  predictions 

and other aspects of design.  Although steady state analysis for water system modeling 

is not preferred method,  it has not been proven  to be a completely  inaccurate way  to 

determine  leakage  than  steady  state.   Because  the average day usage, maximum day 

usage or peak hour usage within any given water system is not steady state, the steady 

state analysis  is not going to provide completely correct results which fit all field data 

20

derived  from  the  existing  system.   This  is  another  reason  researchers  are  expanding 

their modeling capabilities and laboratory experiments to include transient analysis. 

  Transient analysis has become  the  latest method  in  trying  to determine  leakage 

areas within a system.  Although there is not much research available, the preliminary 

results and experiments, have verified researchers’ hypotheses and present promising 

results  for predicting  leakage.   However,  in order  to  create  an  accurate model much 

data is needed.  Perhaps the largest challenge is to create a model which accurately suits 

a  water  system,  hence  producing  accurate  results.    Several  research  experiments, 

including  both  steady  state  and  transient  analysis,  were  examined  before  the 

experiment presented in this thesis was created. 

 

Background 

  For  this experiment,  the Bernoulli equation can be used since we are assuming 

non‐viscous,  one  dimensional,  incompressible  flow.   Bernoulli’s  equation  shows  that 

pressure differences within  the pipes  are  also dependent upon velocity, gravity, unit 

weight  of  the  fluid,  elevation  and  head  losses,  as  shown  in  Equation  3.    The  vast 

majority  of  computer  simulations  are dependent upon  this  equation  for determining 

pressure measurements at each node.  Bernoulli’s equation is defined as:  

 

    (Eqn. 3) 

 

where z  is  the elevation above an arbitrary datum, p  is the pressure  intensity, V  is the 

mean velocity in the pipe, g is the gravitational acceleration,   is the specific weight of 

the  fluid,    is  the kinetic energy  correction  factor  (for most of  the practical  cases    ≈ 

1.05, hence, it will be subsequently omitted), and hL is the head loss.  Subscripts 1 and 2 

refer to cross sections normal to the flow field.  All the terms in the above equation are 

21

heads (or lengths), actually energies per unit weight.  Different expressions are used for 

hL, depending on  their  type, namely,  losses due  to  frictional  resistance of  the pipe or 

losses due to flow transition in the pipe (such as vanes, fittings, inlets, outlets, etc.) 

  Another way  to compare  the characteristics of a system  is  through a hydraulic 

grade line (HGL).    A sample hydraulic grade  line  is shown  in Figure 2.2 for a typical 

water system.  In this figure an elevated storage tank is used to generate the high head 

and  pressure  for  the  remaining  distribution  system  to  use.   Note  that  the  variables 

which generate this graph are the exact variables in Equation 3. 

 

 

Figure 2.2:  Water System Hydraulic Grade Line 

  By allowing the modeler to examine a HGL, the computer model can help locate 

which individual pipes are in need of repair or rehabilitation (Haestad et al, 2004).  The 

hydraulic grade line can show the pressure head and elevation head of water within the 

system.  By creating a HGL for a water system, the characteristics of the system can be 

determined.  If accurate pressure data is obtained from a water system a HGL should be 

able  to  be  generated  from  that  data  and  compared  to  the  accurate  grade  line  of  the 

system.  If these graphs vary (i.e. collected data has a lower grade line than the accurate 

22

grade  line  of  the  system)  then  areas  of  potential  low  pressure  can  be  identified.  

Determining  the  cause  of  discrepancy  between  the  HGLs  is  dependent  upon  good 

judgment  of  the  system  and  the  accuracy  of  the  data  collected.    Figure  2.3  shows 

another  sample  hydraulic  grade  line  for  a  diffuser  within  a  water  system.    In  the 

experiment created in this thesis, the leakage point can be expressed as diffusers. 

    

Figure 2.3:  Schematic View of a Diffuser 

 

  The  energy grade  line  is  similar  to  a  step graph,  such  that  each  leakage point 

creates  an  instantaneous drop  in  energy.   The hydraulic grade  line  contains  a gentle 

slope of V2/2g beneath the energy grade line.  Notice that the differential head between 

the HGL and EGL becomes smaller further downstream of the pipe.  This is due to the 

slightly decreasing velocity of  the  fluid within  the pipe which  is occurring due  to  the 

loss of fluid to the leakage points.  Frictional head losses are continuous throughout the 

WaterCAD  model  pipes  and  combined  with  velocity  losses  this  should  create  a 

hydraulic grade line similar to that shown in Figure 2.3.   

 

23

CHAPTER 3 

METHODOLOGY 

 

Background 

  The  experiment  created  and  explained  within  this  thesis  was  based  on  an 

experiment  previously  performed  by  two  researchers  in  Libson.    Covas  and  Ramos 

developed an experimental facility with a looped system at the Technical University of 

Libson  in 2000.   This  facility was specially designed  for  two reasons.   The  first reason 

was  to collect  leakage  transient data so  that  it could be placed  in a  transient database 

(Transdat).    The  second  reason  is  to  test  and  analyze  the  inverse  transient  leakage 

detection methodology (Covas & Ramos, 2001). 

  The  configuration of  their experimental  set‐up  consists of a pipe network with 

six square  loops, having each  loop 2m x 2m, supplied by a pressurized vessel with a 

constant head of approximately 26 meters.  The pipes are massively anchored in several 

sites  along  its  length,  in  order  to  avoid  any  longitudinal movement  in  the  several 

fittings of  the  system during  the  transient  event.   The pipes are made of  transparent 

PVC PN10 (nominal pressure 10 kg‐m‐2), with 45 mm internal diameter and 2.4 mm of 

wall thickness. 

  At  the downstream end of  the network,  there are  two valves:   a gate valve,  to 

control  the  flow  that  discharges  to  the  atmosphere,  and  a  ball  valve,  immediately 

upstream the former, to generate the transient event.  The closure of the water hammer 

valve is carried out manually.  

  The  leaks  are  located  at  interior  sections  of  the  hydraulic  system  and  are 

simulated by small ball valves with 9 mm of inner diameter discharging directly to the 

atmosphere.   An electromagnetic flow meter was used to measure steady state flow at 

the  upstream  end  after  the  pressurized  vessel.    See  Figure  3.1  for  the  experimental 

network layout. 

24

 

 

Figure 3.1:  Experimental Facility at Instituto Superior Tecnico (Covas and Ramos, 2001) 

 

  Covas and Ramos performed two important tests with this facility.  The first one 

corresponds  to  the  system without  leakage  and  the  other  one with  a  leak  located  at 

node 26 and with the size of 0.00003 m2.   For both tests, the initial steady state flow at 

the downstream end is 6 liter per second (l/s).  The hydraulic transients were generated 

by the closure of the downstream water hammer valve. 

  Covas and Ramos assumed that the initial flow through the distribution system 

model was 6 l/s with no leakage.  From this trial run, a background or control transient 

could  be  generated.    This  control  transient,  at most  node  locations,  is  crucial  to  the 

model  because  it  allows  comparison  of  the  leak  scenarios.    It  also  allows  the water 

operator or engineer  to determine  the  transients at specific node  locations  to verify  if 

leaks are occurring.   

  In  the  second  trial,  a  leak  of  0.67  l/s was modeled  in  two  locations with  an 

effective leaks size of 0.00003 m2.  In addition to the leak flow, an initial flow of 6 l/s was 

25

maintained within  the  distribution  system model.    The  variance  of  transient  curves 

comparing the “no leak” scenario with the “leakage” scenario is shown in Figure 3.2. 

 

Table 3.1:  Experimental Results (Covas and Ramos, 2001) 

Test  Initial Flow at Downstream  Initial Leak Flow  Leak Effective Size* No Leak  6 l/s  ‐  ‐ Leak 1  6 l/s  0.670 l/s  0.00003 m2 (*) Leakʹs Effective size is Aef = Discharge Coefficient (Cd) multiplied by the area of the orifice (AL)

 

  Despite  the  differences  of  each  scenario within  the  Covas/Ramos  experiment, 

these  scenarios did  share  a  common  characteristic.    Figure  3.2 displays  the  transient 

curves derived  from both  leakage  scenarios.   Although  these  transient curves vary  in 

head, they do share a common head measurement from 0.1 to 0.2 seconds.  An enlarged 

view  of  this  specific  time  frame  is  shown  in  Figure  3.3  and  contains  a  head  of 

approximately 26 meters.  This value, which is steady state prior to the generation of the 

transient, was used to calibrate the WaterCAD model. 

  Through  this  experiment,  they  were  able  to  prove  that  with  adequate 

experimental data, a computer generated model of  the water system could be created 

and  calibrated.    This model when  calibrated  can  create  transient  curves  at  junctions 

within the system that match the transients created in the laboratory experiment.  Thus 

there is excellent correlation between experimental data and information obtained from 

the  computer  model  as  shown  in  Figure  3.2.    Covas  and  Ramos  were  able  to 

successfully  develop  a  relationship  between  transient  and  inverse  transient  analysis.  

Their results provide a beginning and foundation for similar transient experiments by 

providing  proof  that  there  is  a  correlation  between  laboratory  data  and  computer 

simulated results. 

26

Figure 3.2:  Transient Pressure at Six Measurement Sites (Covas & Ramos, 2001) 

 

 

Figure 3.3:  Enlarged View of Transient Head at T1 Transducer (Covas & Ramos, 2001) 

27

Overview of Research Tasks 

  It  is  the  intention of  this  thesis and research  to use  the experimental data  from 

Covas  and  Ramos  facility  and  create  a model  of  the  experimental  facility  using  the 

Haestad WaterCAD Version 7 software.  The two leakage scenarios used by Covas and 

Ramos will be utilized to detect the pressure variations throughout the system caused 

by  the potential  leak.   They will  also  be used  to  calibrate  the model  generated with 

WaterCAD  software.    Different  leakage  scenarios  will  then  be  performed  with  the 

calibrated model  to  determine  the  relationship  between  pressure  variations within  a 

water  system  and  the  location  of  these  leaks.    An  explanation  of  each  scenario  is 

detailed in Table 3.3.  These leakage scenarios vary in both the quantity of leakage at a 

specific point and in the location of the leakage point.   The model will also be used to 

determine if a relationship between the effective size of the leak and pressure variations 

exist.    If  a  relationship  between  the  leakage  quantities  and pressure  variations  exist, 

water operators will be able to detect the possibility of leakage in their respective water 

system and fix it, thereby reducing the amount of revenue lost and protecting the water 

quality.  

 

WaterCAD Modeling Software  

  Covas and Ramos (2001) utilized the TRANSDAT software (2001) after they had 

obtained  experimental  data  from  their  laboratory  pipe  model.    The  TRANSDAT 

software  is beneficial  in modeling  transients created  in a water system.   With enough 

correct information to enter into the software program, TRANSDAT will solve the over‐

determined model.   From both the computer model results and laboratory results that 

Covas  and  Ramos  (2001)  obtained,  it  was  found  that  both  sets  of  results  were 

comparable  to  each  other  as  seen  in  Figure  3.3.   The TRANSDAT  software used  the 

method of  characteristics  to  solve  for unknown pressures at nodes within  the model.  

28

This method  is popular  for handling hydraulic  transients.    It converts  the  two partial 

differential  equations  (PDEs)  of  continuity  and  momentum  into  four  ordinary 

differential  equations  that  are  solved  numerically  using  finite  difference  techniques 

(Haestad et al, 2004). 

  The WaterCAD Version 7 software (User’s Guide, 2005) which was used within 

the experiment explained in this thesis utilizes the parameters entered for the pipes and 

nodes  (demands)  to  solve  for  the pressures  at  each node  and within  the pipes.   The 

pressures at all nodes which are calculated by WaterCAD are independent of pressures 

needed  to  satisfy  the  inputed  demands.    Therefore  it  is  essential  that  calculated 

pressures  be  viewed  and  compared  to  the  inputed  demands  to  verify whether  the 

results are reasonable.   Due  to small  leakage rates  incorporated within  the model,  the 

results  generated  should  be  justified  as  reasonable.    Of  course,  laboratory  results 

justifying all other scenarios would be needed to verify the accuracy of the WaterCAD 

software.  It is important to note that this software utilizes the continuity equation and 

Bernoulli’s equation to solve for pressure and balance the flows within the model. 

  The WaterCAD software was chosen due to its popular usage by engineers and 

municipalities.   The EPANET software seems  to be more heavily used by  researchers 

due to  its free availability.   However  if municipalities are  leaning toward the usage of 

the software then the accuracy of the software and ability to simulate leakage in water 

systems needed to be explored.  Hence, the WaterCAD software was chosen to simulate 

the water system expressed in this thesis. 

  Overall, the WaterCAD software is believed to be sufficient for this experiment.  

Although TRANSDAT  is used for solving pressure waves due to transients at specific 

nodes,  something  which  was  not  observed  in  this  experiment,  it  was  able  to  find 

common similarities (i.e. pressure) with the capabilities of WaterCAD. 

  

29

Development of WaterCAD Model    When  the  computer  model  was  initially  developed  a  few  trial  runs  were 

performed so that the extent of the calibration needed could be detected.  All pipes were 

set  to be Polyvinyl  chloride  (PVC) with a Hazen‐Williams  coefficient of 150.    Interior 

diameters were 45 mm and the lengths of pipe were created as shown in Table 3.2.  In 

order  to  create  a pressurized vessel,  as Covas  and Ramos did  in  their  experiment,  a 

pump downstream of a  reservoir was created.   This pump has  logical controls which 

force the pump to turn on when the pressure  is below 254 kPa and turn off when  the 

pressure  is above 255 kPa.   These pump settings allow  the pipe system  to maintain a 

continuous pressure of approximately 254 kPa, which  is  comparable  to  the pressures 

within  the  Covas  and  Ramos  experiment.    This  also  allows  the  pump  to  become  a 

pressurized vessel that Covas and Ramos used in their experiment rather than behaving 

as a typical pump with a pump curve.    

 

Figure 3.4:  WaterCAD Model Setup 

30

Table 3.2:  Characteristics of Pipes within the WaterCAD Model 

Label  Length (m)  Diameter (mm)  Material Roughness Coefficient 

P‐1  2.0  45  PVC  150 

P‐2  2.0  45  PVC  150 

P‐3  2.0  45  PVC  150 

P‐4  2.0  45  PVC  150 

P‐5  2.0  45  PVC  150 

P‐7  2.0  45  PVC  150 

P‐9  2.0  45  PVC  150 

P‐12  2.0  45  PVC  150 

P‐13  2.0  45  PVC  150 

P‐14  2.0  45  PVC  150 

P‐15  2.0  45  PVC  150 

P‐17  2.0  45  PVC  150 

P‐18  1.0  45  PVC  150 

P‐19  1.0  45  PVC  150 

P‐20  1.0  45  PVC  150 

P‐21  1.0  45  PVC  150 

P‐22  0.15  45  PVC  150 

P‐24  0.9  45  PVC  150 

P‐25  0.1  45  PVC  150 

P‐26  1.0  45  PVC  150 

P‐27  0.5  45  PVC  150 

P‐28  0.5  45  PVC  150 

P‐29  0.55  45  PVC  150 

P‐30  1.3  45  PVC  150 

P‐31  0.5  45  PVC  150 

P‐33  0.5  45  PVC  150 

P‐34  10.0  45  PVC  150 

P‐35  3.4  45  PVC  150 

P‐36  11.58  152.4  PVC  150 

 

  Table  3.2  shows  the  characteristics  and  parameters  of  every  pipe  within  the 

WaterCAD model.  The lengths, diameters and material of pipe were derived from the 

31

Covas/Ramos model.   The  roughness  coefficient of 150  is  standard  for PVC pipe and 

was verified through the calibration process.  Pipe P‐36 was given a larger diameter to 

reduce  the  head  losses  caused  by  friction.    This was  used  so  that  the model would 

achieve higher calibration results and better suit the Covas/Ramos model. 

  Seven different scenarios were run with the WaterCAD software.  A summary of 

these scenarios can be seen  in Table 3.3.   The  first scenario, Scenario 0, was used as a 

calibration  trial  run  and was modeled with  no  leakage.    The  only  flow which was 

generated was used  to  flow  to  the  reservoir downstream of  the model,  similar  to  the 

Covas/Ramos experiment.  This flow was equal to 6 l/s.  The second scenario, Scenario 

1, was also similar to the Covas/Ramos experiment.  A leakage at a specific node of 0.67 

l/s was  generated  in  addition  to  the  normal  flow  of  6  l/s  through  the  system.    This 

leakage is approximately 11% of the total base flow throughout the water system.  This 

scenario  was  used  as  a  double  calibration  to  verify  the  accuracy  of  the  inputted 

parameters, such as pipe, nodes and pump characteristics.   Scenarios 2‐6 were used to 

vary the leakage rates and leakage locations in the WaterCAD model.   

  Scenarios 1, 2 and 3 will vary  the  leakage quantity at a constant node  (Leak 1).  

The original  leakage quantity of 0.67  l/s will be halved  in Scenario 2 and doubled  in 

Scenario 3.   The purpose of these three scenarios will determine how leakage quantity 

affects pressure measurements throughout a water system.  Scenario 4, 5 and 6 will be 

used  to  compare  the affects of  leakage  location  to  calculated pressure measurements.  

The  leakage  rate  of  0.67  l/s will  be maintained  at  a  constant  value while  the  leak  is 

located at three different locations within the water system.  These locations are located 

at different distances from the pump.   Scenario 6 will utilize two  locations to simulate 

the effects of two leaks within a system.  However, the total combined leakage quantity 

will be 0.67  l/s  from both  leaks.   The pressure variations which occurred due  to  these 

leakage scenarios are discussed in further detail in the following chapters. 

 

32

Table 3.3:  Explanation of Each Scenario 

Scenario No.   Description 

Scenario 0  No Leakage, used for calibration purposes 

Scenario 1  Leak 1 = 0.67 l/s 

Scenario 2  Leak 1 = 0.335 l/s 

Scenario 3  Leak 1 = 1.34 l/s 

Scenario 4  Leak 1 moved closer to Pump at T3 = 0.67 l/s 

Scenario 5  Leak 2 = 0.67 l/s 

Scenario 6  Leak 1 = 0.335 l/s Leak 2 = 0.335 l/s 

 

  Figure 3.2 shows the comparison between the experimental laboratory data and 

the computer simulation that Covas and Ramos obtained.  Although this information is 

due to transient analysis, the initial 0.1 second is steady state rather than transient.  This 

is due to the short time lag required for the effects of the transient to affect the pressures 

and  head  at  the measurement  nodes.   This  steady  state data  at  all  six measurement 

nodes  was  used  to  calibrate  the  WaterCAD  model.    These  values,  along  with  the 

calibration percent errors, can be seen in Table 4.1. 

 

 

 

Comparison of Leak Quantities

Comparison of Leak Location

Control Scenario

33

CHAPTER 4 

RESULTS 

 

  The  comparison  between  the  Covas/Ramos  (2001)  experimental  results  and 

initial WaterCAD  scenario  results  from Leak  #1 having a  leakage of 0.67  l/s are very 

similar.       The no  leakage scenario, Scenario 0, did provide some pressure differences 

within  the  system  as  compared  to  the  Covas/Ramos  experiment,  however  these 

differences were  small  and  can  be  expected  to  be  insignificant.    The  units  used  to 

display pressure  (Pascal)  are  very  small which  allow  almost  insignificant  changes  in 

pressure to be noticed.  The comparison of a Pascal to pounds per square inch, which is 

commonly used  in  the U.S.  is 1 pascal = 0.00014503 psi.   This  is beneficial since small 

changes within the pressures of the model need to be considered.  Initial calibration of 

the WaterCAD model with a comparison of the pressure results from the Covas/Ramos 

model and  the WaterCAD model are  shown  in Table 4.1.   The variations of pressure 

were  converted  to  error percentages which  are  small  enough  to  confirm  a  successful 

calibration of  the WaterCAD model.   With minimal calibrations, both models seem  to 

contain results which are comparable.   

 

Table 4.1:  Calibration Results – No Leak Scenario 

Covas/Ramos Model  WaterCAD Model 

Node  Head (m)  Pressure (kPa) Head (m)  Pressure (kPa)  Percent Error (%)

T1  26  254  26.20  256.70  0.769 

T2  26  254  26.07  255.29  0.269 

T3  26  254  26.05  255.12  0.192 

T4  26  254  26.03  254.92  0.115 

T5  26  254  26.03  254.89  0.115 

T6  26  254  25.83  252.95  0.654 

34

  After  the model was  properly  calibrated  using  the  no  leak  scenario  pressures 

throughout the model were compared.   With the no  leak scenario all pressures within 

the  distribution  system were  stabilized  to  an  average  pressure  of  254‐255  kPa.    The 

highest pressure generated  (258.16 kPa) was  located  in  close proximity  to  the pump, 

which was  expected  since  the  pump  is  responsible  for  charging  the  system.   When 

scenario #1 was performed using a leakage rate of 0.67 l/s at Leak #1 node, the pressures 

at all nodes downstream of the pump in the system were affected.  The node pressures 

were  decreased  an  average  of  2.5  kPa  at  each  node  for  a  total  system  pressure  of 

approximately 251‐252 kPa.  This decrease in pressure is not unusual or unexpected for 

pipes downstream of the leak. 

  Data  collected  from  both  leakage  scenarios  revealed  that  the  pump  delivered 

adequate flow to all nodes to satisfy their demands, however more power was needed 

when Leak #1 was in operation due to the slightly larger demand of flow.  Pump heads 

remained the same for both scenarios.  Approximately 10.5% more power is required to 

operate the pump and deliver the additional flow as compared to the no leak scenario. 

  During Scenario #2 the demand of leakage for Leak #1 was reduced from 0.67 l/s 

to 0.335 l/s.  The results from scenario #2 are not surprising.  As could be expected, the 

pressure values  from  this scenario are  larger  than scenario #1  (Leak #1 = 0.67  l/s) and 

smaller  than  the  scenario which  involved  no  leakage.   Due  to  a  smaller  quantity  of 

water being released from the system through leakage, pressures within the system are 

expected  to  be  larger  as  compared  to when  greater  quantities  of water  are  released 

through  leakage.   The pressure drop  from  this  scenario  is  approximately  half  of  the 

pressure drop difference between the no leak and leakage of 0.67 l/s scenario.  This can 

be expected due to the leakage rate of 0.335 l/s is one half of the original leakage of 0.67 

l/s  used  in  Scenario  1.    An  average  pressure  drop  of  1.28  kPa  was  experienced 

throughout the system as compared to the no leak scenario.  The effect of the pressure 

variations  occurred  at  all  nodes  downstream  of  the  pump.    The  power  required  to 

35

operate  the  pump  for  Scenario  #2  is  approximately  5.3%  larger  than  the  no  leak 

scenario. 

 

 Table 4.2:  Pressure Measurements under Scenarios 1‐3    Pressure (kPa) 

  Scenario 0  Scenario 1  Scenario 2  Scenario 3 

 No Leak Head  Leak 1 = 0.67 l/s  Leak 1 = 0.335 l/s  Leak 1 = 1.34 l/s 

Node 5  256.81  254.49  255.67  251.96 Node 9  255.52  252.95  254.26  250.15 Node 15  255.43  252.83  254.16  249.99 Node 21  254.97  252.18  253.60  249.15 Node 23  254.81  252.08  253.48  249.09 Node 29  254.66  251.78  253.25  248.63 Node 31  254.34  251.54  252.98  248.47 Node J‐4  254.57  251.86  253.25  248.91 Node J‐8  255.27  252.66  254.00  249.81 Node J‐10  255.76  253.24  254.53  250.48 Node J‐11  255.78  253.23  254.54  250.45 Node J‐20  258.16  256.14  257.17  253.93 Leak 1  254.81  251.89  253.39  248.71 Leak 2  255.36  252.76  254.09  249.93 T1  256.70  254.36  255.56  251.81 T2  255.29  252.68  254.02  249.84 T3  255.12  252.45  253.82  249.54 T4  254.92  252.26  253.62  249.36 T5  254.89  252.04  253.49  248.93 T6  252.95  250.19  251.60  247.17 Average Pressure  255.31  252.68  254.02  249.82 

Differential Pressure (kPa) 

2.63 kPa (1.041% Decrease Compared to Sc. 0) 

1.283 kPa (0.508% Decrease Compared to Sc. 0) 

5.49 kPa (2.2% Decrease 

Compared to Sc. 0) Percentage Differential Pressure Compared to Scenario 1   

48.8% Compared to Scenario 1 

209.1% Compared to Scenario 1 

 

  In scenario #3,  the  leakage rate at Leak #1 was  increased  to 1.34  l/s.   Pipe sizes 

throughout  this  system  were  remained  constant.    The  pressure  within  the  model 

significantly  decreased  with  the  higher  leakage  rate  at  Leak  #1.    In  fact,  the  new 

pressures ranged from 248‐251 kPa as compared to the range of pressure (254‐256 kPa) 

36

from  the  no  leak  scenario,  creating  the  largest  decrease  in  pressure.    The  calculated 

water  power  was  1.96  kW,  also  a  significant  increase  in  power  usage.    This  is 

approximately 21.7% more power needed to operate the pump as compared to Scenario 

0.  See Table 4.2 for exact pressure measurements at each node in Scenarios 1‐3.  Table 

4.3 has been included to show the differential pressure decrease at each node.  Although 

there  are  slight  variations  throughout  the model,  the  pressure  variations  are  fairly 

uniform throughout the distribution system. 

Table 4.3:  Differential Pressure Measurements for Scenarios 1‐3  Differential Pressure 

  Scenario 0  No Leakage 

Scenario 1  Leak 1 = 0.67 l/s 

Scenario 2  Leak 1 = 0.335 l/s 

Scenario 3  Leak 1 = 1.34 l/s 

  

Pressure Measurement 

(kPa) 

Differential Pressure (kPa) 

Percent Decrease1 (%) 

Differential Pressure (kPa) 

Percent Decrease1 (%) 

Differential Pressure (kPa) 

Percent Decrease1 (%) 

Node 5  256.81  2.32  0.903  1.14  0.444  4.85  1.889 Node 9  255.52  2.57  1.006  1.26  0.493  5.37  2.102 

Node 15  255.43  2.6  1.018  1.27  0.497  5.44  2.130 Node 21  254.97  2.79  1.094  1.37  0.537  5.82  2.283 Node 23  254.81  2.73  1.071  1.33  0.522  5.72  2.245 Node 29  254.66  2.88  1.131  1.41  0.554  6.03  2.368 Node 31  254.34  2.8  1.101  1.36  0.535  5.87  2.308 Node J‐4  254.57  2.71  1.065  1.32  0.519  5.66  2.223 

Node J‐8  255.27  2.61  1.022  1.27  0.498  5.46  2.139 Node J‐10  255.76  2.52  0.985  1.23  0.481  5.28  2.064 Node J‐11  255.78  2.55  0.997  1.24  0.485  5.33  2.084 Node J‐20  258.16  2.02  0.782  0.99  0.383  4.23  1.639 Leak 1  254.81  2.92  1.146  1.42  0.557  6.1  2.394 Leak 2  255.36  2.6  1.018  1.27  0.497  5.43  2.126 

T1  256.7  2.34  0.912  1.14  0.444  4.89  1.905 T2  255.29  2.61  1.022  1.27  0.497  5.45  2.135 T3  255.12  2.67  1.047  1.3  0.510  5.58  2.187 T4  254.92  2.66  1.043  1.3  0.510  5.56  2.181 T5  254.89  2.85  1.118  1.4  0.549  5.96  2.338 T6  252.95  2.76  1.091  1.35  0.534  5.78  2.285 

Percent Decrease1 :  This is compared to Scenario 0 (No Leakage Scenario) 

37

  There  appears  to  be  a  linear  relationship  between  the  leakage  quantity  and 

pressure  decreases  within  the  system.    The  pressure  decrease  from  Scenario  3  is 

approximately  double  (209.1%)  as  the  pressure  decrease  of  Scenario  1.    This  is 

significant because of the leakage quantity factors for each scenario.  Also, in Scenario 2 

the  pressure  decrease  is  approximately  half  (48.8%)  of  the  pressure  decrease  as 

compared  to Scenario 1, which  is  the approximately  the same  factor when comparing 

the leakage quantity between the two scenarios.   

  In  Scenario  4,  the only  leakage  rate was  0.67  l/s  at  a node  closer  to  the pump 

(node T1).   The purpose of  this scenario was  to determine how a  leakage rate moved 

closer  to  the pumps would  cause  the pressure variations  to  respond.   After  the new 

leakage  rate was  simulated,  the pressures at all nodes decreased.   The pressure drop 

was an average of 2.33 kPa at most nodes thereby creating an average pressure within 

the experimental water  system of 252‐253 kPa.   The calculated water power was 1.78 

kW, approximately 5.3% larger than the no leak scenario. 

  Scenario  5 was used  to  create  a new  leakage  location  on  the  right  side  of  the 

model.  Leak 2 was used to generate a leak of 0.67 l/s.  This node was the sole leakage 

location.    The  pressure  results  shown  in  Table  4.4  show  that  a  pressure  drop was 

experienced throughout the system due to this leakage.  An average pressure decrease 

of 2.58 kPa occurred as compared to Scenario 0.   The calculated water power was 1.78 

kW, approximately 5.3% larger than the no leak scenario. 

  In Scenario #6, another leak was incorporated into the model from a total of two 

leaks.  Leak #1 was adjusted so that the demand was 0.335 l/s.  In Leak #2 a leakage rate 

of 0.335 l/s was also incorporated into the model at a location away from Leak #1.  The 

purpose of  this scenario was  to observe  the variations  in pressure due  to  two  leakage 

points at opposite ends of  the water system.   The results of  this scenario  indicate  that 

with  two different  leakage  locations  in a water  system,  the pressures  throughout  the 

system are significantly impacted.  The average pressures at all nodes ranged from 252‐

38

253  kPa  creating  an  approximate  2.6  kPa  pressure  decrease  in  the  system.    These 

decreases  in pressure are affected  throughout  the system  in both pipes upstream and 

downstream of the leakage locations. 

  Table 4.5 displays the differential pressure at each node within the model and the 

corresponding pressure decrease percentage.   From  this  table  it can be seen  that  there 

are  slightly  higher  pressure  changes  at  nodes  very  close  to  the  leakage  nodes  as 

compared  to  nodes  located  further  away  from  the  leakage  nodes.    Slightly  higher 

pressure  changes are also visible  in pipes downstream of both  leak  locations and are 

common to both leaks. 

Table 4.4:  Pressure Measurements under Scenarios 4‐6    Pressure (kPa) 

  Scenario 0  Scenario 4  Scenario 5  Scenario 6 

  No Leak Head  T1 = 0.67 l/s  Leak 2 = 0.67 l/s Leak 1 & 2= 0.335 

l/s Node 5  256.81  254.49  254.49  254.49 Node 9  255.52  253.18  252.81  252.88 Node 15  255.43  253.09  252.8  252.82 Node 21  254.97  252.62  252.38  252.28 Node 23  254.81  252.47  252.19  252.14 Node 29  254.66  252.31  252.05  251.92 Node 31  254.34  252.00  251.73  251.64 Node J‐4  254.57  252.23  251.91  251.89 Node J‐8  255.27  252.94  252.54  252.61 Node J‐10  255.76  253.43  253.17  253.21 Node J‐11  255.78  253.44  253.28  253.25 Node J‐20  258.16  256.14  256.14  256.14 Leak 1  254.81  252.47  252.21  252.06 Leak 2  255.36  253.02  252.58  252.67 T1  256.70  254.35  254.37  254.36 T2  255.29  252.95  252.55  252.62 T3  255.12  252.78  252.50  252.48 T4  254.92  252.58  252.23  252.25 T5  254.89  252.55  252.29  252.17 T6  252.95  250.61  250.31  250.26 Average Pressure  255.31  252.98  252.73  252.71 

Differential Pressure (kPa) 

2.33 kPa (0.918% Decrease Compared to Sc. 0) 

2.58 kPa (1.021% Decrease Compared to Sc. 0) 

2.6 kPa (1.028% Decrease Compared to Sc. 0) 

39

 Table 4.5:  Differential Pressure Measurements for Scenarios 4‐6 

Differential Pressure (kPa) Scenario 0  Scenario 4  Scenario 5  Scenario 6 

  No Leakage  Leak at T1 = 0.67 l/s  Leak 2 = 0.67 l/s  Leak 1 & 2 = 0.335 l/s 

 

Pressure Measurement 

(kPa) 

Differential Pressure (kPa) 

Percent Decrease1 (%) 

Differential Pressure (kPa) 

Percent Decrease1 (%) 

Differential Pressure (kPa) 

Percent Decrease1 (%) 

Node 5  256.81  2.32  0.903  2.32  0.903  2.32  0.903 Node 9  255.52  2.34  0.916  2.71  1.061  2.64  1.033 

Node 15  255.43  2.34  0.916  2.63  1.030  2.61  1.022 Node 21  254.97  2.35  0.922  2.59  1.016  2.69  1.055 Node 23  254.81  2.34  0.918  2.62  1.028  2.67  1.048 Node 29  254.66  2.35  0.923  2.61  1.025  2.74  1.076 Node 31  254.34  2.34  0.920  2.61  1.026  2.7  1.062 Node J‐4  254.57  2.34  0.919  2.66  1.045  2.68  1.053 

Node J‐8  255.27  2.33  0.913  2.73  1.069  2.66  1.042 Node J‐10  255.76  2.33  0.911  2.59  1.013  2.55  0.997 Node J‐11  255.78  2.34  0.915  2.5  0.977  2.53  0.989 Node J‐20  258.16  2.02  0.782  2.02  0.782  2.02  0.782 Leak 1  254.81  2.34  0.918  2.6  1.020  2.75  1.079 Leak 2  255.36  2.34  0.916  2.78  1.089  2.69  1.053 

T1  256.7  2.35  0.915  2.33  0.908  2.34  0.912 T2  255.29  2.34  0.917  2.74  1.073  2.67  1.046 T3  255.12  2.34  0.917  2.62  1.027  2.64  1.035 T4  254.92  2.34  0.918  2.69  1.055  2.67  1.047 T5  254.89  2.34  0.918  2.6  1.020  2.72  1.067 T6  252.95  2.34  0.925  2.64  1.044  2.69  1.063 

Percent Decrease1 :  This is compared to Scenario 0 (No Leakage Scenario) 

 

  By initial assumption, it would be predicted that the pressures upstream of a leak 

location  should  not  be  affected  by  a  leak.    However,  as  the  computer  simulations 

demonstrate upstream pressures are affected by  leakage.    In order  to overcome  these 

pressure fluctuations upstream of the leaks, a proper pump must be chosen which can 

provide additional flow to overcome the amount of water lost in leakage. 

40

  Although  the  evaluation  of  power  usage was  not  a  research  objective,  it was 

evaluated.   Table 4.6  shows  the power usage of Scenario 0‐6.   There appears  to be a 

correlation between  the  leakage quantity and  the power usage.   Scenario 1, 4, 5 and 6 

have a  leakage quantity of 0.67  l/s and share  the same power usage of 1.78 kW.   The 

remaining  scenarios  share  a  relationship  between  power  and  leakage  such  that  the 

power  usage  increases  as  the  leakage  quantity  increases  and  decreases  when  the 

leakage quantity decreases.  It is important to note that the no leakage scenario requires 

the least amount of power to operate the pump. 

 

Table 4.6:  Power Usage for Scenarios 1‐6 

Scenario No.  Power Usage (kW) Scenario 0  1.61 

Scenario 1  1.78 

Scenario 2  1.69 

Scenario 3  1.96 

Scenario 4  1.78 

Scenario 5  1.78 

Scenario 6  1.78 

 

  The results of the leak location analysis, though significant, are not surprising.  A 

leak present at any node causes every node to respond.  Moreover, leaks at downstream 

nodes cause a greater degree of pressure reduction, both in terms of the magnitude of 

reduction and the number of nodes with reductions over a given quantity. 

  Equation 2 states that while there are pressure differences within a pipe, there is 

leakage  of  flow  through  an  orifice.    This  has  proven  true  for  the  results  of  this 

experiment as points of leakage have caused a fairly significant change in pressure both 

upstream and downstream of the leakage. 

  Table 4.7 and 4.8 show the head losses within each pipe in the WaterCAD model.  

When each scenario  is compared, several data similarities were noted.   There are  two 

41

pipes within  the  system  that never had a change  in head  losses, despite  the different 

leakage  rate  in  each  scenario.   Pipes P‐33  and P‐34 had  a  constant headloss  of  2.775 

meters/kilometers and 0.943 meters, respectively.  This is possibly due to the location of 

each  pipe.    P‐33  is  located  upstream  of  the  flow  control  valve  (FCV), while  P‐34  is 

located downstream  of  the  flow  control  valve  suggesting  that  the  valve  controls  the 

flow  in  each pipe  regardless  of  the  leakage  rate.    It  is  reasonable  to  expect  the head 

losses in close proximity of the valve to be affected, however it is not expected that the 

head  losses could be completely controlled by the valve.   A combination of the effects 

from  the  pump  or  pressurized  vessel with  the  FCV  could  generate  an  effect which 

would have amore dominant effect on the velocity of flow through the pipes and hence 

a larger weight of pipe head losses. 

  By comparing the total head loss from each scenario, it is observed that Scenario 

3 (Leak 1 = 1.34 l/s) produces the greatest total head loss from friction and related pipe 

head losses.  This could be expected because of the largest flows through the system (a 

total of 7.34 l/s).  When Scenario 1 and 4 were compared it can be seen that Scenario 1 

produced a higher total pipe headloss, which at first glance would suggest that a  leak 

closer  to  the pump would produced  less pipe headloss.   Recall  that Scenario 1 and 4 

have the same leakage rate (0.67 l/s), but a different locations on a pipeline.   However 

when Scenario 1 and Scenario 5 were compared, it was observed that Scenario 1 had a 

slightly high pipe headloss value.  This comparison would suggest that a leak closer to 

the pump will produce more pipe headloss, contrary to what was originally suggested. 

  Overall  the  smallest pipe headloss  resulted  from  the no  leak  scenario which  is 

reasonable because this contained the smallest flow through the model (6 l/s). 

 

42

Table 4.7:  Pipe Head Losses in Scenario 0‐3 

Head Losses due to Friction 

   Scenario 0  Scenario 1  Scenario 2  Scenario 3 

Node ID Length (m) 

Headloss Gradient (m/km) 

Pipe Headloss (m) 

Headloss Gradient (m/km) 

Pipe Headloss (m) 

Headloss Gradient (m/km) 

Pipe Headloss (m) 

Headloss Gradient (m/km) 

Pipe Headloss (m) 

P‐1  2.00  15.91  0.032  12.08  0.024  14  0.028  8.31  0.017 P‐2  2.00  71.25  0.143  66.78  0.134  70.05  0.140  66  0.132 P‐3  2.00  82.68  0.165  85.37  0.171  83.97  0.168  88.49  0.177 P‐4  2.00  12.52  0.025  10.85  0.022  11.68  0.023  9.23  0.018 P‐5  2.00  23.95  0.048  27.45  0.055  25.6  0.051  31.72  0.063 P‐7  2.00  7.87  0.016  5.21  0.010  6.46  0.013  3.17  0.006 P‐9  2.00  7.77  0.016  8.36  0.017  8.05  0.016  9.12  0.018 P‐12  2.00  12.48  0.025  14.67  0.029  13.55  0.027  17.12  0.034 P‐13  2.00  17.2  0.034  20.98  0.042  19.05  0.038  25.11  0.050 P‐14  2.00  18.28  0.037  20.74  0.041  19.45  0.039  23.67  0.047 P‐15  2.00  41.75  0.084  53.89  0.108  47.73  0.095  66.71  0.133 P‐17  2.00  53.27  0.107  63.89  0.128  58.44  0.117  75.59  0.151 P‐18  1.00  31.34  0.031  38.36  0.038  34.74  0.035  46.2  0.046 P‐19  1.00  31.34  0.031  38.36  0.038  34.74  0.035  46.21  0.046 P‐20  1.00  36.09  0.036  40.85  0.041  38.38  0.038  46.32  0.046 P‐21  1.00  36.09  0.036  40.85  0.041  38.38  0.038  46.32  0.046 P‐22  0.15  12.48  0.002  14.68  0.002  13.55  0.002  17.12  0.003 P‐24  0.90  104.38  0.094  128.25  0.115  116.07  0.104  154.08  0.139 P‐25  0.10  104.39  0.010  128.25  0.013  116.06  0.012  154.08  0.015 P‐26  1.00  15.91  0.016  12.09  0.012  14  0.014  8.31  0.008 P‐27  0.50  15.91  0.008  29.07  0.015  22.12  0.011  44.85  0.022 P‐28  0.50  15.91  0.008  29.07  0.015  22.12  0.011  44.85  0.022 P‐29  0.55  12.49  0.007  14.67  0.008  13.55  0.007  17.12  0.009 P‐30  1.30  12.48  0.016  14.67  0.019  13.54  0.018  17.12  0.022 P‐31  0.50  277.49  0.139  337.59  0.169  306.87  0.153  403.08  0.202 P‐33  0.50  277.49  0.139  277.49  0.139  277.49  0.139  277.49  0.139 P‐34  10.00  277.49  2.775  277.49  2.775  277.49  2.775  277.49  2.775 P‐35  3.40  277.49  0.943  337.6  1.148  306.87  1.043  403.07  1.370 P‐36  11.58  0.73  0.008  0.89  0.010  0.81  0.009  1.06  0.012 Total Head Loss:      5.030     5.378     5.201     5.773 

 

43

Table 4.8:  Pipe Head Losses in Scenario 4‐6 

Head Losses due to Friction 

   Scenario 0  Scenario 4  Scenario 5  Scenario 6 

Node ID Length (m) 

Headloss Gradient (m/km) 

Pipe Headloss (m) 

Headloss Gradient (m/km) 

Pipe Headloss (m) 

Headloss Gradient (m/km) 

Pipe Headloss (m) 

Headloss Gradient (m/km) 

Pipe Headloss (m) 

P‐1  2.00  15.91  0.032  15.88  0.032  16.58  0.033  14.29  0.029 P‐2  2.00  71.25  0.143  71.22  0.142  72.28  0.145  70.52  0.141 P‐3  2.00  82.68  0.165  82.71  0.165  81.58  0.163  83.47  0.167 P‐4  2.00  12.52  0.025  12.47  0.025  14.47  0.029  12.58  0.025 P‐5  2.00  23.95  0.048  23.96  0.048  23.77  0.048  25.53  0.051 P‐7  2.00  7.87  0.016  7.8  0.016  9.39  0.019  7.14  0.014 P‐9  2.00  7.77  0.016  7.71  0.015  13.35  0.027  10.71  0.021 P‐12  2.00  12.48  0.025  12.61  0.025  18.37  0.037  16.51  0.033 P‐13  2.00  17.2  0.034  17.52  0.035  18.86  0.038  19.87  0.040 P‐14  2.00  18.28  0.037  17.94  0.036  24.16  0.048  22.4  0.045 P‐15  2.00  41.75  0.084  41.56  0.083  46.02  0.092  49.91  0.100 P‐17  2.00  53.27  0.107  54.05  0.108  67.19  0.134  65.53  0.131 P‐18  1.00  31.34  0.031  31.42  0.031  31.25  0.031  34.66  0.035 P‐19  1.00  31.34  0.031  31.42  0.031  31.25  0.031  34.66  0.035 P‐20  1.00  36.09  0.036  36.18  0.036  32.37  0.032  36.53  0.037 P‐21  1.00  36.09  0.036  36.18  0.036  32.37  0.032  36.53  0.037 P‐22  0.15  12.48  0.002  12.62  0.002  5.41  0.001  9.53  0.001 P‐24  0.90  104.38  0.094  103.32  0.093  123.78  0.111  126.01  0.113 P‐25  0.10  104.39  0.010  142.69  0.014  123.78  0.012  126.02  0.013 P‐26  1.00  15.91  0.016  15.88  0.016  16.58  0.017  14.29  0.014 P‐27  0.50  15.91  0.008  15.88  0.008  16.58  0.008  22.47  0.011 P‐28  0.50  15.91  0.008  15.88  0.008  16.58  0.008  22.47  0.011 P‐29  0.55  12.49  0.007  12.61  0.007  5.4  0.003  9.54  0.005 P‐30  1.30  12.48  0.016  12.61  0.016  18.37  0.024  16.51  0.021 P‐31  0.50  277.49  0.139  337.59  0.169  337.6  0.169  337.6  0.169 P‐33  0.50  277.49  0.139  277.49  0.139  277.49  0.139  277.49  0.139 P‐34  10.00  277.49  2.775  277.49  2.775  277.49  2.775  277.49  2.775 P‐35  3.40  277.49  0.943  337.6  1.148  337.6  1.148  337.6  1.148 P‐36  11.58  0.73  0.008  0.89  0.010  0.89  0.010  0.89  0.010 Total Head Loss:      5.030     5.271     5.364     5.371 

44

  From the results of the seven scenarios performed with the WaterCAD software, 

pressure profiles at specific routes within the model were generated.  In fact, there were 

three primary routes which were chosen to generate pressure profiles.  The first route, 

shown in Figure 4.1, begins at node R‐2 and ends 36 meters later at the Reservoir node.  

This  route  incorporates  the Leak 1 node  so  that pressure variations around  this node 

can be compared.  The complete profile can be viewed in Figure 4.2.  This figure shows 

that  the  initial pressure at node R‐2 was zero and  remained zero until  it  reached  the 

pump which dramatically increased to approximately 268.5 kPa.   The final pressure at 

the  Reservoir  node was  also  zero  due  to  the water  coming  in  contact with  surface 

pressure.   More detailed views of  the profile between  the pump and  the  flow control 

valve can be seen in Figures 4.3 and 4.4. 

 

 

 

Figure 4.1:  Pressure Profile Path for the Left Side of Model 

Pressure Profile Path

45

 

Pressure Profile for Left Side (Scenario 0‐6)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Distance (m)

Pressure (kPa)

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4Scenario 5Scenario 6

Figure 4.2:  Left Side Pressure Profile for Scenario 0‐6 

 

  Figure 4.4 shows the variations of pressure between each scenario with great 

clarity.  At a distance of 19.5 meters is the Leak 1 node.  Pressure downstream of this 

node seems to decrease fairly sharp as a result of any leakage from this area.  There 

appears to be a large variation in pressure decreases due to leakage quantity between 

Scenarios 1‐3.  Scenario 3 is mostly outside the graph area due to extremely low 

pressures from the high leakage rate at Leak 1.  However, when pressure variations due 

to changes in leakage location are compared, there does not appear to be much 

variation in pressure quantities.  It is important to note that the highest pressures come 

from Scenario 0 which has no leakage. 

46

Pressure Profile for Left Side (Scenario 0‐6)

245

250

255

260

265

270

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Distance (m)

Pressure (k

Pa)

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4Scenario 5Scenario 6

 

Figure 4.3:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Left Side) 

 

Pressure Profile for Left Side (Scenario 0‐6)

250

250.5

251

251.5

252

252.5

253

253.5

254

254.5

255

255.5

256

256.5

257

257.5

258

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Distance (m)

Pressure (k

Pa)

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4Scenario 5Scenario 6

 

Figure 4.4:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Left Side) 

47

The  second pressure profile was  created using  the  route  shown  in  Figure  4.5.  

This route begins at node R‐2 and ends at the Reservoir node for a total distance of 36 

meters.  This route contains no leakage points and is located half the distance between 

Leak 1 and Leak 2.  Figure 4.6 shows the pressure profile for the entire 36 meter route.  

The pressure  located at the pump  location appears to be the same as shown  in Figure 

4.2.  The pressures at a distance of 0 and 36 meters are zero due to the surface pressure 

at each reservoir.  More detailed views of the pressures between the pump and the flow 

control valve are shown in Figures 4.7 and 4.8. 

 

 

 

Figure 4.5:  Pressure Profile Path for Middle of Model 

 

   

Pressure Profile Path

48

Pressure Profile for Middle (Scenario 0‐6)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Distance (m)

Pressure (kPa)

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4Scenario 5Scenario 6

 

Figure 4.6:  Middle Pressure Profile for Scenario 0‐6  

Pressure Profile for Middle (Scenario 0‐6)

245

250

255

260

265

270

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Distance (m)

Pressure (k

Pa)

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4Scenario 5Scenario 6

 

Figure 4.7:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Middle) 

49

Pressure Profile for Middle (Scenario 0‐6)

250

250.5

251

251.5

252

252.5

253

253.5

254

254.5

255

255.5

256

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Distance (m)

Pressure (kPa)

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4Scenario 5Scenario 6

 

Figure 4.8:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Middle) 

 

  Figure  4.8  shows  a more  spread  out  display  of  pressures  from  each  scenario.  

However, the pressures caused by Scenario 1, 4, 5 and 6 are closely grouped together.  

Scenario  3  continues  to  display  low  pressures which  stretch  outside  the  graph  area.  

Scenario  0  remains  the  pressure  profile  with  the  highest  pressures  in  the  model.  

Scenario 2, with a leakage rate at Leak 1 of 0.335 l/s, has the second highest pressures in 

the model.  It appears that the pressures begin to sharply decrease at a distance of 20.5 

meters  from  the  node  R‐2.    This  distance  corresponds  to  node  T3 which  is  located 

almost directly in the middle of the model, both horizontally and vertically.  

50

  The third and final pressure profile is located on the right side of the model.  This 

layout is shown in Figure 4.9 and includes the Leak 2 node.  Similar to the previous two 

profiles, this route begins at node R‐2 and ends at the Reservoir node which is a total of 

36 meters  long.    Figure  4.10  displays  the  entire  pressure  profile  for  this  route.    The 

pump continues to increase the pressure to approximately 268.5 kPa.  Pressures at both 

the  beginning  and  ending  reservoirs  are  zero  due  to  surface water  pressures.    See 

Figures 4.11 and 4.12 form ore detailed views of the pressures at each scenario between 

the pump location and the flow control valve. 

 

 

 

Figure 4.9:  Pressure Profile Path for the Right Side of the Model 

 

Pressure Profile Path

51

Pressure Profile for Right Side (Scenario 0‐6)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Distance (m)

Pressure (kPa)

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4Scenario 5Scenario 6

 

Figure 4.10:  Right Side Pressure Profile for Scenario 0‐6 

Pressure Profile for Right Side (Scenario 0‐6)

245

250

255

260

265

270

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Distance (m)

Pressure (k

Pa)

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4Scenario 5Scenario 6

 

Figure 4.11:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Right Side) 

52

Pressure Profile for Right Side (Scenario 0‐6)

251

251.5

252

252.5

253

253.5

254

254.5

255

255.5

256

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Distance (m)

Pressure (kPa)

Scenario 0Scenario 1Scenario 2Scenario 3Scenario 4Scenario 5Scenario 6

 

Figure 4.12:  Enlarged Pressure Profile for Scenario 0‐6 (Right Side) 

 

  Figure 4.12  shows a detailed view of  the pressures between  the distance of 15 

meters and 25 meters.  Similar to the pressure profile for the middle, Scenarios 0, 2 and 

3 seem to be disbursed more.  Scenarios 1, 4, 5 and 6 are spaced very close to each other.  

Scenarios 5 and 6 are the only scenarios which involved leakage within the Leak 2 node.  

Due to their similar pressure with scenarios 1 and 4  it appears that which the  leakage 

rate throughout the system was 0.67 l/s the pressures at the nodes where similar.  Recall 

that the total leakage rate in each of the four scenarios was 0.67 l/s.  

 

 

53

CHAPTER 5 

DISCUSSION 

 

Possible Modeling Errors/Calibrations 

  It  is  important to note that a model  is only as good as the data that  it contains.  

Thus the more accurate  information and data that comprises the computer model, the 

more accurate  the  results will be.   A  lack of  information will  lead  to uncertainty and 

almost always be visible in the final results.  As engineers it is important to note these 

assumptions so that calibrations can be performed after the initial results are derived.  If 

the use of calibrating the model seems futile, the use of certain assumptions should be 

duly recorded so that an explanation of the results can be compiled. 

  If the characteristics of the system are well known, the need for field procedures 

is greatly  lessened; analysis can be done with much  less data by using computational 

algorithms.    Essentially  the  same  inverse  techniques  can  be  used  to  calibrate 

distribution systems (Pudar and Liggett, 1992). 

  Covas and Ramos (2001) developed their experiment using the metric units, as is 

typically  customary  in  foreign  countries.   The use  of measuring pressure within  this 

experiment  in  units  of  kilopascals  (kPa)  is  extremely  beneficial.   A  pascal  (Pa)  is  a 

sensitive measurement unit and compared to English units is equal to 1.4503x10‐4 psi or 

1 psi  is  equal  to  6,895 pascals.   Therefore,  the use  of  this metric unit  is beneficial  in 

detecting  small  changes  of  pressure  within  the  WaterCAD  model.    With  a  more 

sensitive measurement perhaps  the  leakage detection and  location approximation can 

become more  accurate  and more  beneficial  to  the  outcome  of  the  experiment.    The 

results in Table 4.1 demonstrate a successful calibration of the model.  This is essential 

to  providing  accurate  results  for  the  different  scenarios  and  their  corresponding 

leakage. 

 

54

Discussion of Results 

  As previously mentioned in Chapter 2, the Bernoulli equation is relevant for this 

experiment and can be simplified based on parameters used within this research.   The 

parameters specific to this experiment are shown below: 

 = 9.81 kN/m3 

V1,2 = assumed to be the same for both upstream and downstream of the leak location 

g1,2 = 9.81 m2/s for both upstream and downstream of the leak location 

z1,2 = 0 for both upstream and downstream of the leak location 

1,2 = 1.05 for both upstream and downstream of the leak location 

 

  Using these parameters, the Bernoulli equation can be simplified to the following 

form: 

 

(p1 /  ) = (p2 /  ) + hL  

p1 = p2 + hL•    

  Δp = (p1‐p2) = hL•   (Eqn. 4) 

 

  Equation 4, which  is specific only to this example, states that the pressure drop 

within a pipe segment is dependent upon the head losses and unit weight of water.  All 

elevations of pipes and nodes have been set to zero; therefore there is no head loss due 

to static head.  Note that the velocity both upstream and downstream of the leak have 

been assumed to be equal.   Although this assumption  is not entirely true, the velocity 

difference  surrounding  the  leakage  point  is  small  enough  to  disregard  and  can  be 

assumed  to be equal  for equation  simplification purposes.    In  this  simple experiment 

the  only  head  losses  which  could  occur  are  due  to  friction  losses  through  pipe 

roughness and leakage.  This is reasonable due to the simplicity of this model.   

55

  Although  the experiment expressed  in  this  research  relies on a  single pump  to 

provide pressure  for  the distribution  system,  the hydraulic grade  lines  at  each water 

source should be similar.   The pressure head at the pump should be the highest point 

on  the hydraulic grade  line, as demonstrated  in Figure 4.3, 4.7, and 4.11.   The HGL  is 

composed  of  both  the  elevation  (z)  and  the  pressure  head  (p/ ),  but  because  all 

elevations within  the  experiment  have  been  set  at  zero,  the  hydraulic  grade  line  is 

affected  only  by  pressure  head.    The  head  losses  in  this  experiment  are  affected  by 

pressure  heads  upstream  and  downstream  of  the  leak  as well.    Equation  4  can  be 

rearranged to generate:   

  hL = p1/  – p2/   (Eqn. 5) 

 

  This equation simply states the difference in pressure heads at the upstream and 

downstream  locations of  the  leakage  is  equal  to  the head  losses at  the  leakage point.  

Therefore,  the head  losses  in  the distribution  system were primarily dependent upon 

pressure head. 

  Frictional  losses were not  expected  to be  large because of  the  short  lengths of 

pipe within  the  experiment  and  fairly  low  velocity  flowing  through  the  pipes.    The 

headloss results for each scenario of the experiment, shown in Table 4.7 and 4.8, confirm 

this initial assumption.  The differential head loss in each scenario is fairly small when 

compared with Scenario 0.  For the no leak scenario a total head loss due to pipe head 

loss was 5.03 meters.  When a leakage of 0.67 l/s at Leak 1 node was incorporated into 

the model  the  pipe  headloss  increased  to  5.378 meters.   Very  similar  pipe  headloss 

results were  obtained  from  Scenario  5  and  6  (5.364  and  5.371 meters,  respectively).  

When  the  leakage  location was moved  to  the Leak 2 node  in Scenario 6,  the headloss 

value  varied  0.007  meters  from  the  headloss  value  from  Scenario  1.    Scenario  5 

generated a total pipe headloss which decreased 0.014 meters as compared to Scenario 

1.    It  appears  that  the  location  of  the  leakage does have  an  effect on  the quantity  of 

56

headloss, however this effect is minimal.  Scenario 4, which moved the leakage location 

to the T1 node (closer to the pump), produced a decrease in pressure of 0.107 meters, as 

compared  to  Scenario  1,  which  confirms  the  fact  that  leakage  location  does  affect 

headloss values.   It is important to note that all headloss variations from Scenarios 1‐6 

increased the head loss quantities as compared to the no leak scenario. 

  The  effects  of  leakage  quantities  on  headloss  values were  evaluated  as well.  

Headloss values were the highest when a  leakage rate of 1.34  l/s was generated at the 

Leak 1 node during Scenario 3 (5.773 meters).  The value was lowest, excluding the no 

leak  scenario, when  the  leakage  rate  of  0.335  l/s  in  Scenario  2 was  generated  (5.201 

meters).   It appears that there  is a relationship between the headloss values generated 

within the pipes and the quantity of leakage.  This is no surprise since pipe headloss is 

primarily  controlled  by  headloss  through  friction which  is  strongly dependent upon 

velocity  of  fluid within  the pipe.   The  higher  the  velocity  of  the  fluid within  a pipe 

segment, the higher the friction losses should be.  Of course the pipe characteristics such 

as  diameter,  length  and  roughness  coefficient  also  have  a  contribution  to  producing 

headloss, however these factors are not as dominant as the velocity of fluid.   It  is also 

important to note that velocity is contingent upon the diameter of pipe which the fluid 

is flowing through.   Velocity not only contributes  to  the headloss quantities within  the 

pipes, but also to the hydraulic and energy grade line as shown in Figure 2.2 and 2.3.  In 

fact the difference between the HGL and EGL is the velocity head (V2/2g). 

  Decrease in pressure in Scenario #1, #2, and #3 resulting from leakage within the 

experimental water system seems  to be  fairly uniform across all nodes.    If a pressure 

decrease  occurs,  as  in  scenario  #1,  #2,  and  #3,  the  differential  decrease  seems  to  be 

constant  across  the  nodes  both  upstream  and  downstream  of  the  leakage  location.  

Nodes  upstream  of  the  pump  do  not  seem  to  be  affected  by  the  leakage.    This  is 

reasonable  due  to  the  pump  being  the  sole  provider  of  pressure within  the  system.  

Pressures  are  also  unaffected  at  nodes  downstream  of  the  flow  control  valve  (node 

57

FCV‐1).    This  is  justifiable  since  the water within  the  pipe  being  discharged  to  the 

Reservoir which contains surface pressures of 0 kPa.  Although pressure within pipe P‐

34  just downstream of FCV‐1 is not zero, WaterCAD calculates pressures within pipes 

at the most downstream point.   For node P‐36 this point of pressure will be located at 

the Reservoir  and  is  equal  to  zero,  thus  the  result  shown  in  the pressure profiles  in 

Figures 4.2 ‐ 4.13. 

  From the pressure results due to Scenarios 4‐6, several comparisons can be made.  

Because Covas and Ramos (2001) utilized a leakage rate of 0.67 l/s during the course of 

their  experiment,  the  same  total  leakage  rate was  frequently maintained within  this 

experiment.   Scenarios 1, 4, 5 and 6 utilized a total  leakage of 0.67  l/s.   From the node 

pressures expressed in Table 4.4 and 4.5, it can be observed that these scenarios contain 

fairly similar pressures at each node.  In fact, the pressure results shown for Scenarios 1, 

4, 5 and 6 are similar to each other suggesting that leakage location has a minimal effect 

on pressure  variations, however  it does have  an  effect.    It  appears  that  the pressure 

decreases  throughout  the water  system  are  fairly  uniform  and  there  is  not  a  linear 

relationship  between  the  leakage  location  and  the  pressure  decreases.    When  the 

leakage  of  0.67  l/s  was  moved  closer  to  the  pump,  in  Scenario  4,  the  pressure 

measurements at all nodes increased slightly which implies that as the leakage is moved 

further  from  the source of pressure  for  the system  (i.e. pumps, elevated  tank, etc.)  the 

pressure measurements will decrease  throughout  the system.   The pressure variations 

in Scenario 4 also suggest  that  the closer a  leak  is  located  to  the water source  (pump, 

elevated  tank,  etc.)  the  more  likely  the  pressure  results  are  to  be  slightly  higher 

throughout  the system.   The comparison of Scenario 1 and Scenario 5  imply  the same 

results.   Leak  1  is  closer  to  the pump  as  a  compared  to Leak  2,  thus most  likely  the 

reasoning behind pressures in the system being approximately 0.1 kPa higher than the 

pressure results derived from Scenario 5. 

58

  Although Scenario 2 and 3 varied from the standard leakage rate of 0.67 l/s, the 

purpose of  these scenarios was  to compare  the variation of  leakage at a single source.  

Based on the comparison of Scenario 1, 2 and 3, Scenario 3 (leakage of 1.34 l/s) produced 

results the lowest pressure values, while Scenario 2 (leakage of 0.335 l/s) produced the 

highest pressure values  excluding  the no  leak  scenario.   These  results  imply  that  the 

larger  the  leakage quantities  the  smaller  the  residual pressure values will  be.   There 

appears  to  be  a  linear  relationship  between  the  leakage  quantity  and  the  pressure 

decreases within  the  system.    If  the  leakage  rate  is  increased  to  twice  the  original 

leakage quantity  (as  in Scenario 3)  the pressure decreases will  increase approximately 

twice the original amount.  In an overall comparison of all scenarios, it can be observed 

that leakage at any node regardless of the quantity or location will reduce the pressure 

within a distribution system. 

  As  shown  in Figures  4.2  ‐  4.13, a  line displaying  the pressure  at  three  specific 

routes was generated  for all  six  scenarios.   These  figures are beneficial  in  comparing 

pressures from one scenario in different pipes.  The first profile included a path on the 

left side of the experimental distribution system and Figure 4.4 shows an enlarged view 

of the pressure profile.  This profile shows that the higher the leakage rate the lower the 

pressures within the system whereas no leakage produces higher pressures within the 

system.  The lower the leakage rate and the closer the leakage locations are to the pump 

the more likely the pressures are to be larger.  Of course, it is important to note that no 

leakage will  produce  the  highest  pressure.    Figure  4.8  and  4.12  show  the  pressure 

profiles  for  the middle and  right  side  section of pipes within  the distribution  system.  

The results discussed above are applicable for both pressure profiles in the middle and 

right side as well as the left side profile. 

  Analysis of  the  single  leaky pipe within  this experiment  indicated  it cannot be 

determined whether leak location affects energy consumption of the pump.   Although 

direct extrapolation of this analytical result is not feasible for distribution networks, it is 

59

logical to expect that leaks situated at the most downstream portions of a network will 

often involve a larger energy cost, because the larger flows must be transmitted through 

a  great  portion  of  the  system.    Also,  the  power  required  to  push  larger  flows 

downstream in a system will result in larger frictional head losses, thus requiring more 

energy for the pump.  However, it is important to note that additional head losses, such 

as static head, much also be considered.  The energy required to operate the pumps and 

other  pressure  control  apparatus’  is  based  on  total  dynamic  head  (TDH),  which 

accounts  for  all  head  losses,  both  frictional  and  static.    Therefore  the  TDH  should 

always be considered before a definite conclusion can be derived.   In this experiment, 

all elevations were set at 0, thereby making static head a null factor.   

  In  fact,  it  appears  that  the  power  usage  results  from  the WaterCAD  software 

were dependent  solely upon  the quantity of  leakage.   For Scenarios 1, 4, 5, and 6, all 

contained  a  total  leakage  rate  of  0.67  l/s  and  the power usage  calculations  yielded  a 

usage of 1.78 kW  for each scenario.   Scenario 2 contained a  total  leakage rate one half 

the  amount  as  used  in  Scenario  1,  4,  5  and  6  and  the  power  usage  proved  to  be 

approximately one half of the quantity used in Scenario 1, 4, 5, and 6.  See Table 4.6 for 

exact quantities of power usage results for each scenario.  Because there is no calibration 

technique for the verification of the power usage calculations it is difficult to discern the 

accuracy  of  these  calculations.   However  it  is  reasonable  to  assume  that  the  power 

needed to operate a pump would be dependent upon the quantity of water the pump 

must deliver to a water system.  This is, in fact, also dependent upon the length of time 

the pump will need to operate.   

 

Additional Experiments – Scenario 7 and Scenario 8 

  After  the evaluation of  the results derived  from Scenarios 0‐6, another  test was 

performed  to determine  if  there  is a  relationship between  the pressure decreases  in a 

water system due to  leakage and the size of the water system.   The existing model, as 

60

previously discussed in the Methodology section, was scaled to two times the size of the 

original model for the evaluation of Scenario 7 and 8.  All pipes lengths were increased 

to  two  times  the  original  lengths.    The  pipe  diameters  were  kept  at  the  original 

parameters of 45 mm.   The  leakage rate  in Scenario 7 was kept to the constant 0.67  l/s 

leakage  rate, similar  to quantity used  in Scenarios 1, 4, 5 and 6.   However Scenario 8 

utilized a leakage rate of 1.34 l/s (twice the original 0.67 l/s leakage rate).  The purpose 

of  these experiments was  to compare how  the size of a water distribution system can 

affect pressures within the system.   The calculated pressures from this experiment are 

shown in Table 5.1.    

  Scenario 7 involved the original leakage rate of 0.67 l/s at the Leak 1 node and the 

constant base flow of 6 l/s.   This provides a leakage rate of approximately 11.2%.   The 

purpose  of  this  scenario was  to  determine  the  effects  of  the  distribution  size  on  the 

pressure variations.  The only variation between Scenario 7 and Scenario 1 are the pipe 

lengths. 

  Scenario 8 was performed to evaluate effects of increasing the leakage rate to 1.34 

l/s while maintaining a base flow of 6 l/s.  This provides a leakage rate of approximately 

22.3% which  is  comparable  to  the  leakage  quantity  in  Scenario  3.   Again,  the  pipe 

lengths were twice the original lengths (similar to Scenario 7). 

  From  the results  for both Scenario 7 and 8  it can be observed  that much  larger 

pressure decreases are experienced at each node within the water system model due to 

the  increase  in pipe  lengths.   Furthermore  it  appears  that  the pressure decreases  are 

fairly uniform across each node as in the previous experiment discussed in Chapters 3 

and  4.   However,  some  nodes  located  closer  to  the  leakage  location  appear  to  have 

larger pressure decreases as compared to the remaining nodes within the water system 

model.    The  pressure  decreases  in  the  nodes  upstream  of  the  leakage  are  smaller 

decreases compared to the nodes downstream of the leakage location.  The nodes which 

are downstream of  the  leakage  contain pressure decreases which are  larger  than any 

61

other nodes in the water system.  This suggests that pressure decreases from Scenario 7 

and 8 are affected by the location of the nodes relative to the leakage node.  However, it 

is important to note that all pressures within the system downstream of the pump are 

affected by the leakage location. 

 Table 5.1:  Pressure Measurements from Scenario 7 and Scenario 8 

 Differential Pressure Scenario 0   Scenario 7  Scenario 8 

   No Leakage  Leak 1 = 0.67 l/s  Leak 1 = 1.34 l/s 

  

Pressure Measurement 

(kPa) 

Pressure Measurement 

(kPa) 

Percent Decrease1 (%) 

Pressure Measurement 

(kPa) 

Percent Decrease1 (%) 

Node 5  256.81  251.94  1.90  246.87  3.87 Node 9  255.52  250.12  2.11  244.51  4.31 

Node 15  255.43  249.97  2.14  244.28  4.37 Node 21  254.97  249.11  2.30  243.04  4.68 Node 23  254.81  249.08  2.25  243.08  4.60 Node 29  254.66  248.61  2.38  242.30  4.85 Node 31  254.34  248.46  2.31  242.31  4.73 Node J‐4  254.57  248.88  2.24  242.97  4.56 

Node J‐8  255.27  249.79  2.15  244.08  4.38 Node J‐10  255.76  250.47  2.07  244.94  4.23 Node J‐11  255.78  250.42  2.09  244.85  4.27 Node J‐20  258.16  253.92  1.64  249.49  3.36 Leak 1  254.81  248.68  2.41  242.30  4.91 Leak 2  255.36  249.90  2.14  244.23  4.36 

T1  256.7  251.78  1.92  246.68  3.91 T2  255.29  249.81  2.15  244.12  4.38 T3  255.12  249.51  2.20  243.68  4.48 T4  254.92  249.34  2.19  243.52  4.47 T5  254.89  248.91  2.35  242.67  4.79 T6  252.95  247.15  2.29  241.10  4.68 

Average Percent Decrease (%)  2.16     4.41   Percent Decrease1 :  This is compared to Scenario 0 (No Leakage Scenario) 

62

  Scenario 7 and Scenario 8 differ in the respect that the leakage rate in Scenario 8 

is double  the  leakage rate  in Scenario 7.   Pressure decreases  from  these  two scenarios 

suggest  a  linear  relationship.    Furthermore,  the  comparison  between  the  pressure 

variations  from  Scenario  1  (which  contains  a  leak  at  the Leak  1 node  =  0.67  l/s)  and 

Scenario 7  (which also contains a  leak at  the Leak 1 node = 0.67  l/s) suggests a  linear 

relationship  between  the  two  scenarios.    The  decrease  in  pressure  variations  for 

Scenario 7 is approximately double the decrease in pressure as compared to Scenario 1.   

The same conclusion can be derived for the linear relationship between Scenario 3 and 

Scenario  8.    The  pressure  decreases  from  Scenario  8  are  approximately  double  the 

pressure decreases from Scenario 3. 

  One  conclusion  which  can  be  formed  from  these  additional  experiments  or 

scenarios  is  that as  the  leakage quantity  increases within a water system,  the pressure 

within the system will decrease as well.   It  is  reasonable  to  assume  that  the  large 

variances in pressure decreases caused by expanding the pipe lengths are a result of the 

additional head  losses within the additional pipe  lengths.   The head  losses from these 

two scenarios should be twice as large as compared to Scenario 1 and 3 due to twice the 

quantity of pipe within the distribution system.  However, the relationship between the 

head losses and leakage flow has not been observed in detail. 

 

 

 

63

CHAPTER 6 

CONCLUSION 

 

  Leaks  are  expensive  for  a  variety  of  reasons,  including  the  loss  of water  and 

treatment  chemicals,  the  increased  risk  of  water  quality  deterioration,  unnecessary 

capacity  expansion, and  the  increased  energy  expenditure  required  to  feed  the  leaks.  

Given  current  typical  prices,  lost water  costs  upstage  those  associated with  energy 

wastage.  Moreover, if either water or energy prices continue to rise the importance of 

leak  repair  will  become  even  more  pronounced.    For  both  pipe  segments  and 

distribution networks, leaks are shown to substantially increase energy costs. 

  Although  there  are many  reasons  for minimizing  leakage  in municipal water 

distribution  networks,  perhaps  the most  important  relates  to  quality  of  service.    A 

network with physical failures may be exposed, under certain operating conditions, to 

pathogen intrusions that affect the quality of water.  Every leakage control program has 

a water balance of the system as a common starting point. 

  Leak detection in pipelines is necessary to avoid economic losses, ensure safety, 

and control environmental problems.   The  leak detection methods presently available 

have several limitations and can only be employed in specific situations.   The purpose 

of the experiment presented in this thesis was to examine pressure throughout a system 

at  specific  locations  and  review  how  the  pressures  at  these  locations will  vary with 

different leakage rates and different locations of leaks.  The accuracy of the WaterCAD 

software was also evaluated. 

  With the continuing increase of technology, water operators have easier ways to 

account for the total water used within their system.  Residential water meters are now 

electronic and equipped with SCADA capabilities  so  that all water usage can be  sent 

directly  to  the water  department  in  spreadsheet  form.    The  use  of water meters  on 

hydrants can help regulate and account for municipality water usage.   Electronic flow 

64

meters at well or plant sites will allow the water department to know the exact quantity 

of water  leaving  the  plant  and  entering  the  system  for water  consumption.    If  the 

capabilities for accountability are available, leak detection through water accountability 

is possible.   This  is perhaps  the  simplest  and  cheapest way  to determine  if  leaks  are 

occurring within a system. 

 

Summary of Research Results 

  Previous  research  in  leak  detection  has  utilized  both  the  steady  state  and 

transient  analysis  to  identify  the  location  of  leaks  based  on  pressure measurements 

within  laboratory  experiments.    The  research  presented  through  these  experiments 

focuses  on  the  relationship  between  pressure  measurements  and  leakage.    This 

relationship was  determined  by  altering  the  leakage  quantity  and  leakage  location.  

Perhaps  through  this  research  engineers  and  water  operators  can  look  at  areas  of 

unusual pressure decreases and have a better understanding if these decreases were or 

could be caused by leakage.  

  The research presented through these experiments varies from previous research 

performed for leakage detection for several reasons.  The reasons include: 

�  Identifying the relationship between leakage quantities and pressure 

variations within a water system 

�  Identifying the relationship between leakage location and pressure variations 

within a water system 

�  Utilizes laboratory data derived for a transient analysis experiment to calibrate 

a inverse steady state analysis water model. 

�  Evaluates the accuracy of the WaterCAD software to properly generate a 

water model and obtain results similar to those obtained from a previous 

laboratory experiment. 

 

65

 

  The WaterCAD software produced results which were very similar to the results 

within the Covas/Ramos experiment.   This suggests that this software is sufficient and 

capable of providing  results which  can be  comparable with actual  field or  laboratory 

results.    This  software  is  used  by  operators  to  simulate  changes  in  existing  water 

systems so the effects can be predicted before they occur.  These simulations can include 

breaks  in pipes,  flow  surges,  excess  fire  flow  and other various  situations.    It  is  also 

heavily used by engineers for the design of proposed water systems and improvements 

to  existing  systems.    The  ability  of  this  software  to  generate  results  similar  to  field 

conditions will be a tremendous asset to water operators and engineers who utilize this 

software to simulate existing water systems. 

  Through  this  research,  pressure  variations  in  a  distribution  system  due  to 

leakage locations and leakage quantities have been identified.  The six scenarios which 

examine the pressure variations were successful in developing a theoretical correlation 

of pressures with respect to leakage location and quantity.   It has been shown that the 

higher  the  leakage quantity  the  larger  the decrease  in pressure as compared  to  the no 

leakage  scenario.    Also,  as  the  leakage  location  moves  further  from  the  source  of 

pressure for the distribution system, the pressures within the system are more likely to 

decrease. 

  It  is  important  to  note  that  the  pressure  variations  experienced  through  this 

research and the scenarios were uniform across the entire network.  Due to the pressure 

variations  occurring  both  upstream  and  downstream  of  the  leakage  locations,  it  is 

difficult  to determine  the  location of  leakage  from  the  fluctuations  in pressure.   More 

research is needed to identify a solution to identifying leakage locations. 

  A relationship between the head  losses  in a system and the quantity of  leakage 

was  identified  as well.   As  the  amount of  leakage  increases  the head  losses within  a 

system will increase as well.  Scenario 3 contained the highest leakage quantity of 1.34 

66

l/s  and produced  the highest head  losses within  the pipes of  the  experimental water 

system.   There  is also a correlation between  the  location of  leakage and  the calculated 

head  losses.    It  appears  that  location may  have  an  affect  on  the  head  loss  values; 

however  this affect  is minimal and  is difficult  to conclude an exact result.   Scenario 4 

provides a leakage of 0.67 l/s within a close distance to the pump.   The corresponding 

head  loss values  from Scenario 4 are smaller as compared  to  the remaining scenarios, 

thereby suggesting that the closer a leak is to the water source or pressurized vessel, the 

lower the head loss values will be.   The percent difference between the head values of 

similar scenarios (particularly Scenario 1, 4, 5, and 6) is very small which may suggest 

that location of leakage has a minimal affect on head losses. 

  In order for this research to be applicable to existing water systems an accurate 

model must be generated.  One of the primary characteristics of the water system which 

must be considered when creating a model of a water system is the typical water usage 

in specific areas.  Water usage databases are useful when determining this information.  

Pressure  measurements  within  specific  areas  of  the  existing  water  system  are  also 

needed.   Pressure gauges and modern pressure  recorders are  typically used  to assist 

water operators in obtaining this data.   One an accurate water model is generated, the 

existing water  system  can  be  compared  to  the model  and  discrepancies within  the 

computer model  can  be  viewed  closer.   Unusually  low  pressure within  the  existing 

system can suggest potential leakage; however the water balance of the system must be 

viewed closely before any definite conclusions concerning  leakage can be derived.   Of 

course,  the  most  accurate  identification  of  leakage  within  a  water  system  is  the 

continuity equation or  the water balance.   This suggests  that all water which  flows  in 

the  system must  flow  out.   Good water usage  records will help  conclude whether  a 

leakage can exist, however accounting for every gallon of water used is easier said than 

done. 

67

  It is perhaps the smaller leakage rates which can cause water operators the most 

concern.  Larger leaks usually have a tendency to surface, especially with the sandy soil 

and high water tables which are prevalent in Florida.  Once they have surfaced they can 

be  located easier and  fixed more rapidly.   Smaller  leaks, however, produce a constant 

steady  loss of water and can go unnoticed.   Not only do they contribute to water  loss 

and  revenue,  they also present an open  space  for bacteria and other  containments  to 

enter the water system, thereby compromising water quality.  However, as this research 

has proven, small leaks such as shown in Scenario #2, do produce pressure reductions 

within  the  system,  thereby  giving  the  consumers  and water department personnel  a 

small  indication  that  a  problem  may  be  present.    Further  research  is  needed  to 

determine the exact location of the leak. 

 

Limitations of Work 

  Although  this  software  has  excellent  calibration  between  laboratory  data  and 

computer  simulations  there  are  certain  aspects  of  this  research  which  contain 

limitations.   The  lack of pressure dependency  for demand calculations could produce 

invalid  results  for  certain water  systems with high  leakage  concerns.   As  the  leakage 

values  are  entered  into  the  software  as  demands  at  specific  nodes,  the  results  for 

pressure values may be below the reference pressure thereby producing results which 

contain high  error.   This  research  focused primarily on  the  effects of  smaller  leakage 

quantities  rather  than  the  larger  quantities,  therefore  the  lack  of pressure dependent 

demand  calculation  capabilities  should  not  have  adversely  affected  the  pressure 

calculations and results.   This  is the reasoning behind  the successful correlation of the 

model. 

  Another  limitation of  this  research  is  the ability  to produce  field or  laboratory 

results which can calibrate each scenario.  It is important to note that the results derived 

within this experiment are theoretical only and need to be field verified.  Cadman once 

68

said “A  little experience often upsets a  lot of  theory”.   The  research expressed within 

this thesis is no exception. 

 

Future Work 

  Although additional research, particularly field or laboratory research, is needed 

to accompany this thesis before any viable conclusions can be reached, it is reasonable 

to  conclude  that  the  unexpected  decrease  in  pressure within  a water  system  could 

possibly  be  the  results  of  leaks.    Further  actions  need  to  be  taken  to  adequately 

determine whether  leakage  is  the most  probable  cause  of  decreasing  pressure.   An 

increase  in water consumption  in a possible area of decreasing pressure could be  the 

cause  for concern.   Pudar and Liggett  (1992) suggested using  the  inverse steady state 

analysis as a means  for  supplementing other  leakage  location  identification  solutions.  

The  results  from  this  research  confirm Pudar  and Liggett’s  suggestion.   Perhaps  the 

most accurate type of leakage control or identification used today is the water database 

previously discussed in Chapter 2.  Every municipality must rely on large quantities of 

accurate  data  derived  from  their water  system  to  identify  the  characteristics  of  the 

system.   This data can  include monthly operating reports, water usage within specific 

areas of a water system, fluctuations in water increases during particular months of the 

year,  etc.   After  a database has been  established  and  the personnel within  the water 

department  are  familiar  with  it,  exceptions  or  variations  within  the  system  can  be 

identified.    These  variations,  along  with  any  pressure  decreases  suggested  in  this 

research, can help locate any potential area of leakage.  Hence, the research presented in 

this thesis is sufficient and would be an asset to supplement a water system database or 

any successful leakage identification program or tool. 

  Possible areas of improvement for this research include a lack of water usage in 

the model.  Although a flow of 6 l/s was discharged through the distribution system in 

addition  to  the  leakage  quantities,  this  flow  is  very  small  and does not  simulate  the 

69

water usage similar to that of field conditions.  The simplicity of the model was efficient 

for  the comparison of  the Covas/Ramos model; however  it did not accurately portray 

the  conditions  of  actual  water  systems  in  the  aspect  of  demands  being  spread 

throughout  the distribution  system.   By  spacing  the demands  throughout  the  system 

these demands would serve to simulate residences or metered connections.   Perhaps a 

larger scale model with more  flow would provide a simulation similar  to  the existing 

water  systems  and  a  better  correlation  between  any  laboratory  experiment  and  field 

conditions could be derived. 

  Previous  research  has  suggested  that  transient  analysis  has  great  potential  to 

identify  leakage  location.   Therefore,  future  research may utilize  transient software  to 

identify the relationship between leakage quantity and location and pressure variations 

rather than the steady state analysis presented here.   Perhaps even additional research 

can be performed on  the  identification of  leakage  locations within various  size water 

systems. 

 

 

 

70

REFERENCES  

Almandoz, J., Cabrer, E., et al.  2005.  Leakage Assessment through Water Distribution Network  Simulation.    Journal  of  Water  Resources  Planning  and  Management.  American Society of Civil Engineers.  Nov/Dec 2005, p. 458‐466. 

 Alonso,  J., Alvarruiz,  F.,  et  al.    Parallel Computing  in Water Network Analysis  and 

Leakage  Minimization.    Journal  of  Water  Resources  Planning  and  Management.  July/Aug. 2000, p. 251‐260. 

 American  Water  Works  Association  (AWWA).    Apparent  and  Real  Losses.    2006.  

http://www.awwa.org/WaterWiser/waterloss/Docs/02Apparent_Real_Loss.cfm  Burnell, D., Race,  J.   Water Distributions  Systems Analysis:   Patterns  in  Supply‐Pipe 

Leakage.  2000 Joint Conference on Water Resources Engineering and Water Resources Planning & Management.  Vol. 104, Issue 40517, July 2000. 

 Colombo, A., Karney, B.   Energy and Costs of Leaky Pipes:   Toward Comprehensive 

Picture.   Journal of Water Resources Planning and Management.   Nov/Dec. 2002, p. 441‐450. 

 Covas, D., Ramos, H.  Hydraulic Transients used for Leakage Detection in Water 

Distribution Systems.  2001 International Conference on Water Pipeline Systems. York, UK, March 2001.  

 Covas, D., Ramos, H., Graham, H., Maksimovia, C.  An Assessment of the application of 

inverse  transient  analysis  for  leak  detection.    Advances  in  water  supply management;  Proceeding  of  the  International  Conference  on  Computing  and Control for the Water Industry.  15‐17 September 2003. 

 Covas, D., Ramos, H., Graham, H.  Application of hydraulic transients for leak detection 

in water supply systems.   Water Science & Technology.   Vol. 4, Issue 5‐6, 2004, p. 365‐374. 

 Crowe, C., Elger, D., Roberson, J.  Engineering Fluid Mechanics.  Seventh Edition, 2001.    EPANET  2  User’s  Manual,  Cincinnati,  Ohio,  National  Risk  Management  Research 

Laboratory, United States Environmental Protection Agency, September 2000.  

71

Haestad,  Walski,  T.,  Chase,  D.,  Savic,  D.,  Grayman,  W.,  Beckwith,  S.,  Koelle  E.  Advanced Water Distribution Modeling and Management.  First Edition, 2004.   

 Kong, X., Mergelas, B.   Condition Assessment of Small Diameter Water Transmission 

Main.   Optimizing  Pipeline Design, Operations,  and Maintenance  in  Today’s Economy.    Pipelines  2005:    Proceeding  of  the  Pipeline  Division  Specialty Conference.  P. 252‐262, 2005. 

 Mpesha,  W.,  Gassman,  S.,  Chaudhry,  M.    Leak  Detection  in  Pipes  by  Frequency 

Response Method.  Journal of Hydraulic Engineering.  Vol. 127, Issue 2, p. 134‐147.  Feb. 2001. 

 Pudar,  R.,  Liggett,  J.    Leaks  in  Pipe  Networks.    Journal  of  Hydraulic  Engineering, 

American Society of Civil Engineers.  Vol. 118, Issue 7, July 1992.  P. 1031‐1046.  Roberson, J., Cassidy, J., Chaudhry, M.  Hydraulic Engineering.  Second Edition, 1998.  Stathis,  J.,  Loganathan,  G.V.    Analysis  of  Pressure‐Dependent  Leakage  in  Water 

Distribution Systems.  Preparing for the 21st Century:  Water Resources Planning and Management Conference 1999 Proceedings.  1999. 

 TRANSDAT Database  and  Software.   University  of New Castle.    http://www.surge‐

net.info/workpack03.html.  2001.  Vela, A., Perez, R., Espert, V.  Incorporation of Leakages in the Mathematical Model of a 

Water  Distribution  Network.    Department  of  Hydraulic  Engineering  and Environment;  Polytechnial  University  of  Valencia,  Spain.    International Conference on Computer Methods and Water Resources.  P. 245‐257.  1991. 

 Vitkovsky,  J.,  Simpson,  A.,  Lambert, M.    Leak  Detection  and  Calibration  of Water 

Distribution Systems Using Transients and Genetic Algorithms.   Preparing  for the 21st Century:  Water Resources Planning and Management Conference.  1999. 

 Vitkovsky,  J.,  Simpson,  A.,  Lambert,  M.    Leak  Detection  and  Calibration  Using 

Transients  and  Genetic  Algorithms.    Journal  of  Water  Resources  Planning  and Management.  July/Aug 2000, p. 262‐265. 

 Walski, T.,   Bezts, W., Posluszny, E., Weir, M., Whitman, B., 2006.   Modeling Leakage 

Reduction  through Pressure Control.   American Water Works Association  Journal; Vol 94, Issue 4, P. 147‐155. 

72

 WaterCAD User’s Guide, Waterbury, Connecticut, Haestad Methods, 2005.  Wood,  A.,  Lence,  B.,  Liu, W.    Constructing Water Main  Break  Databases  for Asset 

Management.  American Water Works Association; Vol 99, Issue 1, P. 52‐65.  Yi Wu, Z., Sage, P.   Water Loss Detection Via Genetic Algorithm Optimization‐Based 

Model Calibration.  Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati, Ohio.  Aug 2006. 

 Yi Wu, Z., Wang, R., Walski, T., Yang, S., Bowdler, D., Baggett, C.   Efficient Pressure 

Dependent  Demand  Model  for  Large  Water  Distribution  System  Analysis.  Water Distribution System Analysis Symposium, Cincinnati, Ohio.  Aug 2006. 

   

73

BIOGRAPHICAL SKETCH     

EEEDDDUUUCCCAAATTTIIIOOONNN:::

B.S. in Civil Engineering, December 2004

Florida State University

Tallahassee, FL GPA: 3.86

Florida Board of Professional Engineers

Fundamentals of Engineering Exam, Passed April 2004

WWWOOORRRKKK EEEXXXPPPEEERRRIIIEEENNNCCCEEE:::

Preble-Rish, Inc. May 2004 - Current

Bristol, FL

Project Engineer

* Experience in Permitting: FDEP Dredge and Fill, FDOT Utility Permit, FDOT

Connection Permit, and Northwest Florida Water Management District Consumptive

Use Permits

* Design of Water Systems, Wastewater Treatment Plants, Wastewater Collection

Systems, Highway Design, Stormwater Drainage, Low Water Crossings

HHHOOONNNOOORRRSSS:::

* Phi Theta Kappa Member

* Phi Theta Phi Member

* Phi Sigma Theta Member