In the world, improving quality and reliability of water supply systems, improving access to clean drinking water for the populations in conditions of development and intensive growth of urban settlements are considered an important issue. In this research the most important issue is improving the calculation methods of water delivery and distribution systems within urban water supply complexes. In most countries such as the USA, Germany, Russia, Israel, South Korea, China and other economically developed countries, special attention has been paid to provide clean drinking water for their population, improve the quality of design for water supply systems and ensure reliability and design of water distribution system for urban settlements. A water supply network for distributing the water for drinking and other purposes is a component of a city and municipal planning. Therefore, it needs to be planned and designed by city planners and civil engineers with the utmost care. It is also necessary to consider of factors that will have an impact, such as the location of the town or city, its current water demand, the growth in the demand in future, leakage in the systems, the required pressure in the pipes, losses in the pipes, etc. Targeted research aimed to develop scientifically grounded calculation methods for studying and developing theoretical bases for calculation water delivery and distribution system within urban water supply complexes. The study also considered new working conditions and requirements for their modernization, which are especially important worldwide. In this study the most important tasks are to improve calculation methods of water delivery and distribution systems under the condition of multi-mode water flow in pipes and uncertainties of network parameters. Further, Mazar-e-Sharif city has been considered as a case to apply the developed mathematical calculation, describing water delivery and distribution processes, rational development and reconstruction of water delivery and distribution systems. Currently, a wide range of comprehensive studies is being carried out in many countries on the use of modern computer technologies on the implementation of comprehensive measures to improve access to clean drinking water in city, through the construction of new water tanks, an extension of the existing water tanks, sewerage facilities and water supply network. The development strategy of the Islamic Republic of Afghanistan in line with SDG’s is first improving the supply and delivery of clean drinking water in each province of the country. Since many years the local Government of Balkh province and people of Mazar-e-sharif city are wishing to have the new modern water supply system to satisfy all needs but unfortunately, they did not success to get this opportunity. Mazar-e-Sharif is the second largest city in Afghanistan and the population is growing day by day as due to economic reasons people from other provinces immigrate to Mazar. The current water supply system is the individual/local distribution system made by the local community and some NGOs which are not standard, and the quality of the water is not satisfactory.:Table of Content CHAPTER 1 : Introduction 1 1.1 Background 1 1.2 Research Objectives 2 1.3 Structure of the thesis 3 1.4 Study Area 4 1.5 Socioeconomic conditions 5 1.6 Master Plan and Future Development 6 1.7 Physiography 7 1.8 Existing situation 8 1.8.1 Ground water 8 1.8.2 Water Quality 8 1.8.3 Surface Water 9 1.8.4 Actual Production 9 1.8.5 Storage 11 1.8.6 Operation of current Water Supply System 11 CHAPTER 2 : Literature review 13 2.1 Water Supply System 13 2.2 Water supply characteristics 15 2.3 Theory of hydraulic models 17 2.4 Analysis of existing theories and methodologies for modeling a water supply and distribution system in a water supply complex 31 CHAPTER 3 : Research methodology 36 3.1 Overview 36 3.2 Description of the properties and types of sets used in the model 38 3.3 Mathematical model of the water supply system 39 3.4 Mathematical model of the designed water supply network 41 3.5 Water flow continuity equation 43 3.6 Equation of water balance in tanks 44 3.7 Establishment of pressure loss in pipes, under the condition of optimal operation of tanks on the water supply system 44 3.8 The objective function of water supply network optimization 55 3.9 Limitations in optimizing the water supply network 58 3.10 Bringing distributed water consumption to network nodes of a water distribution system 60 3.11 Determination of rational parameters of a water distribution system 61 3.12 Determination of the parameters of water distribution system during the reconstruction of the existing water supply network 62 3.13 Mathematical model for optimizing the reconstruction of a water supply system 63 CHAPTER 4 : Result and Discussion 66 4.1 Assessment reliability of the results 66 4.2 Task 1 (Hydraulic calculation of a single-ring water supply network) 66 4.3 Task 2 (Hydraulic calculation of a multi-ring water supply network in simulation mode) 68 4.4 Task 3 (Test water supply network) 70 4.4.1 Water Demand 71 4.4.2 Parameters for Hydraulic Design 72 4.5 Design procedure 73 4.6 The structure of the software package and the model interface 83 4.6.1 Structure of the water supply optimization system 83 4.6.2 Optimization system control module 84 4.6.3 Graphical editor 84 4.7 Graphical editor input and output files 90 4.7.1 GDX file 90 4.7.2 Text file 90 4.8 EXCEL file 93 4.9 Water supply system indicators (pipe lengths, pipe diameters) 99 4.10 EXCEL file exists 100 CHAPTER 5 : Conclusion 109 CHAPTER 6 : References 112 CHAPTER 7 : Appendix 118 7.1 Diagram of the water supply network of a real settlement 118 7.2 Comparison of water flow rates in a real existing water supply network performed according to existing methods and using an optimization model in simulation mode 119 7.3 Comparison of the values of water consumption in the real existing water supply network performed according to existing methods and using the optimization model in the optimization mode 124 7.4 Compilation of pipe diameter in the real and optimal conditions in meters 129 7.5 Pressure in the nodes of the water supply network before connecting a new user and after connecting and reconstructing the network 135

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In der vorliegenden empirischen Untersuchung wird der aktuelle Stand der öffentlichen Wasserversorgung, Abwasserbeseitigung und des Gewässerschutzes in Sachsen hinsichtlich der Kenntnisse und der Einstellung der Entscheidungsträger zu einer "nachhaltigen Entwicklung" und deren Umsetzung erfaßt. Wesentliche Ergebnisse der Untersuchung sind: · Eine umfassende und einheitliche Kenntnis des Begriffs und der Inhalte einer "nachhaltigen Entwicklung" ist nicht auf allen relevanten Entscheidungsebenen vorhanden. · Der Haupttätigkeitsbereich einer Einrichtung hat Einfluß auf die Kenntnis des Begriffs einer "nachhaltigen Entwicklung". Wenn der Haupttätigkeitsbereich einer Einrichtung im Bereich der Wasserversorgung oder des Gewässerschutzes liegt, ist die Kenntnis des Begriffs größer. · Die Kenntnis des Begriffs einer "nachhaltigen Entwicklung" ist abhängig von der Größe der jeweiligen Einrichtung hinsichtlich der Anzahl der zu versorgenden Einwohner und der Anzahl der Mitarbeiter. In größeren Einrichtungen ist die Kenntnis des Begriffs weiter verbreitet. · Die Tatsache gesteigerter ökologischer und sozialer Engagements vieler Einrichtungen zeigt die grundsätzliche Möglichkeit einer Einbeziehung dieser Ziele. Trotzdem kommt ökonomischen Zielen aufgrund der limitierenden Wirkungen hinsichtlich der Umsetzbarkeit von Zielen und Entscheidungen höchste praktische Bedeutung zu. · Die Bedeutung ökonomischer Ziele ist abhängig von der Art der Einrichtung. In privatwirtschaftlichen und öffentlichen Unternehmen haben sie tendenziell die größte Bedeutung. Bei ökologischen und sozialen Zielen ist eine solche Abhängigkeit nicht nachweisbar. · Die wahrgenommenen größten Probleme bei der Konkretisierung einer "nachhaltigen Entwicklung" sind von der Art der Einrichtung abhängig. Während Gemeinden in allen Zielbereichen gleichermaßen solche Probleme sehen, sind es bei Zweckverbänden der ökonomische und soziale Zielbereich. Bei allen anderen Einrichtungsarten bestehen derartige Probleme vorwiegend im ökonomischen Zielbereich. · Die Organisationsform hat Einfluß auf Wirkungen hinsichtlich einer nachhaltigen Entwicklung. Eine mögliche Privatisierung in verschiedenen Formen ist daher stets in Abhängigkeit von den resultierenden Wirkungen auf eine "nachhaltige Entwicklung" zu beurteilen.

Zugl.: Münster (Westfalen), Univ., Diss., 2008

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Die öffentliche Trinkwasserversorgung in Deutschland verbraucht jährlich ca. 2,4 TWh elektrische Energie, ca. 0,5% des Bundesverbrauchs. Wasserversorgungsunternehmen (WVU) gehören jedoch zu den größten Energienutzern in vielen Gemeinden. Dabei ist von einer möglichen, dauerhaften Energieeffizienzsteigerung um 10 bis 20% auszugehen. Für den Erfolg der Energiewende soll dieses Potential ausgeschöpft werden, auch bei kleinen und mittleren WVU. Dazu sind bewährte sowie neu entwickelte Ansätze gefragt, wovon eine Auswahl im Rahmen der vorliegenden Dissertation erprobt und dargestellt wird. Die Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß ISO 50001 beim WVU ZWA Hainichen wurde wissenschaftlich begleitet. Gegenstand war die Optimierung der Daten-gewinnung und -dokumentation und deren Nutzung in Fallbeispielen (z. B. Verringerung von Strombezugsspitzen, Steigerung der Energieeffizienz von Druckerhöhungsanlagen, Einspa-rung von Heizenergie), ergänzt durch Sonderuntersuchungen ausgewählter Anlagen. Durch diese und eigene Maßnahmen des WVU wurde eine langfristige Steigerung der Energie-effizienz um 13,8% im Trinkwasserbereich erreicht. Im indischen Bundesstaat Uttarakhand wurde die Energieeffizienz von 43 Hochleistungs-pumpen untersucht. Diese lag zwischen 27 und 57%, mit einem Mittelwert von 50%. Die Pumpstation Jinsi II wurde auf der Grundlage einer Datenanalyse und betriebstechnischer Aspekte als Demonstrationsstandort zur Energieeffizienzsteigerung durch den Austausch von 2 Pumpen gewählt. Die komplexe Auswertung der aufgenommenen Kennlinien, der Ursachen des Verschleißes und betriebstechnischen Randbedingungen führte zur Auswahl eines robusten, hocheffizienten Pumpenmodells der Firma Kirloskar mit erosionsbeständigen Laufrädern. Die Einsparung betrug 195.000 kWh/a (7,8%) bzw. 14,7 T€/a mit einer Amortisa-tionszeit von ca. 5,2 a. Es wurden 4 grundsätzliche Maßnahmen zur langfristigen Verbesserung erkannt und priorisiert. Für den energieeffizienteren Betrieb von Brunnengalerien mit Überkapazitäten wurde eine innovative Methodik entwickelt und als Software-Baustein implementiert. Diese basiert auf einer historisch-statistischen Auswertung von verfügbaren Prozessleitdaten. Die Energie-einsparung beruht auf der Nutzung energetischer Vorteile ausgewählter Brunnenkombi-nationen. Die beispielhafte Validierung erfolgte an Standorten der Fernwasserversorgung Sdier und des TAZV Eisenhüttenstadt. Das ermittelte Einsparpotential liegt bei 7,8% bzw. 10,5% (8 T€/a bzw. 12 T€/a). Die Analyse des DVGW-Leitfadens W 613 zur Energie(rück)gewinnung durch Trinkwasser-kraft ergab offene Fragen zur Ermittlung der optimalen Turbinenparameter für Standorte mit Fallleitungen und stromab angeordneten Behältern. Deshalb wurde eine Methodik zur Optimierung der Mikroturbinenparameter Durchfluss und Fallhöhe entwickelt und mit einer Wirtschaftlichkeits¬betrachtung gekoppelt. Der entwickelte Software-Baustein wurde an 9 Standorten bei 3 sächsischen WVU mit Überkapazitäten in den Zulauffallleitungen zu Trinkwasserbehältern getestet und verifiziert. Die prognostizierte Energieerzeugung reichte von 9.000 bis 180.000 kWh/a mit einem arithmetischen Mittelwert von 48.500 kWh/a. Gleichzeitig wurde diese Methode mit 3 alternativen Methoden aus den Regelwerken verglichen. Diese anderen Methoden ergaben im Durchschnitt zwischen 70% und 91% der Ergebnisse durch die neu entwickelte Methode. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der potentiellen 9 Standorte ergab, dass an 4 Standorten eine Nachrüstung mit einer Mikroturbine zu empfehlen ist, bei geschätzten Amortisationzeiten zwischen 1,7 a und 6,9 a.:Kurzfassung i Abstract ii Danksagung & Acknowledgements iii Inhaltsverzeichnis vi Abkürzungsverzeichnis viii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Zielstellung 2 1.3 Gliederung der Arbeit 6 2 Energiemanagement in der Wasserversorgung 8 2.1 Vergleich zwischen Deutschland und den USA hinsichtlich Effizienz bei der Nutzung von Wasser und Energie 8 2.2 Die ISO 50001 als Leitfaden und Maßstab für Energieeffizienzmaßnahmen 9 2.3 Die Rolle von politischen Randbedingungen 10 3 Energiemanagement in der Praxis 13 3.1 Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß ISO 50001 für einen sächsischen Zweckverband 13 3.2 Fünf Fallbeispiele aus dem Betrieb eines EnMS von deutschen Wasserversorgern – Inspiration für WVU in den USA 15 Fallbeispiel 1: Bestehende Daten ausnutzen, dann neue Daten erfassen 15 Fallbeispiel 2: Kosteneinsparung durch Verringerung von Leistungsspitzen und verbesserte Vertragsgestaltung 15 Fallbeispiel 3: Druckerhöhungsanlagen (DEA) – Einsparung von Pumpenergie 16 Fallbeispiel 4: Einsparung von Heizenergie in einem Wasserwerk 17 Fallbeispiel 5: Energiegewinnung durch Mikroturbinen 17 4 Energieeffizienzsteigerung von Pumpen in Uttarakhand 19 4.1 Untersuchung der Energieeffizienz von 43 Pumpanlagen im Bundesstaat Uttarakhand, Indien 19 4.2 Umsetzung einer Ersatzmaßnahme für 2 Pumpen der Pumpstation Jinsi II 19 4.3 Bewertung der Maßnahme und Wege zur weiteren Einsparung 21 5 Energieeffizienzsteigerung beim Betrieb von Brunnengalerien 24 5.1 Beschreibung der Methodik und Voraussetzungen zur Nutzung 24 5.2 Anwendung an 2 Standorten in Mitteldeutschland mit Auswertung 27 6 Energiegewinnung durch Mikroturbinen in Deutschland & Indien 30 6.1 Voraussetzungen zur Energiegewinnung & 2 Typen Turbinenstandorten 30 6.2 Methodik zur Optimierung der Energieerzeugung an Standorten mit durch Fallleitungen gespeisten Speicherbehältern (Typ 1, „gepuffert“) 31 6.3 Anwendung an 9 Standorten in Sachsen mit Auswertung 34 6.4 Machbarkeitsstudie zum Einsatz von Mikroturbinen in Uttarakhand, Indien 35 7 Zusammenfassung und Ausblick 37 Literaturverzeichnis 42 Beiliegende Publikationen 46 Beiliegende Publikation 1 47 Beiliegende Publikation 2 65 Beiliegende Publikation 3 77 Beiliegende Publikation 4 95 Beiliegende Publikation 5 111 Beiliegende Publikation 6 125 Beiliegende Publikation 7 165 / The public water supply in Germany annually uses about 2.4 TWh of electrical energy, approximately 0.5% of the total national energy use. Water supply utilities are nevertheless often among the largest energy users within municipalities. The possible long-term improvement in energy efficiency is estimated to be 10 to 20%. To aid the successful navigation of the transition to sustainable energy use, this potential should be fully exploited, including at small and medium-sized water utilites. This requires both proven and newly developed approaches, a selection of which are tested and presented in this dissertation. The implementation of an energy management system according to ISO 50001 was scientifically supported at the water utility ZWA Hainichen. The primary activity was the optimization of data acquisition and documentation and its use in case studies (e.g. reduction of electricity demand spikes, improving the efficiency of booster stations, reducing energy use for space heating), complemented by targeted investigations of selected facilities. Through these and other measures, ZWA Hainichen was able to achieve a 13.8% long-term increase in the energy efficiency of their drinking water division. In the Indian state of Uttarakhand, the energy efficiency of 43 high-head pumps was investigated. The results ranged from 27 to 57% with a mean value of 50%. The pump station Jinsi II was chosen as a demonstration site for energy efficiency improvement based on the analysis of field data and operational aspects. The complex evaluation of the measured characteristic curves, the causes of mechanical wear and operational factors led to the selection of a robust, high-efficiency pump model from the company Kirloskar with abrasion-resistant impellers. The savings achieved was 195,000 kWh/a (7.8%) or 14,700 €/a with a payback period of 5.2 a. Four fundamental measures were recognized and prioritized for achieving long-term improvement. For the energy-efficient operation of well galeries with surplus capacity, an innovative method was developed and implemented as a software module. This method is based on a historical and statistical evaluation of readily available process control data. The energy savings is achieved through the preferential operation of more energy-efficient well combinations. Validation was performed for sites of the long-range water supplier FW Sdier and the regional water utility TAZV Eisenhüttenstadt. The estimated energy savings is 7.8% and 10.5% (8 and 12 T€/a). Analysis of the DVGW technical guidelines W 613 on energy recovery through drinking water hydropower revealed open questions regarding the determination of the optimal turbine parameters for sites with gravity pipelines and downstream storage tanks. In response, a method was developed for the optimization of the microturbine parameters flow rate and pressure drop, coupled with an economic assessment. The software module developed was tested and verified using 9 sites at 3 water utilities in the state of Saxony with surplus capacity in their inflow gravity pipelines. The projected energy generation ranged from 9,000 to 180,000 kWh/a, with an arithmetic mean of 48,500 kWh/a. This method was also compared to 3 alternative methods from technical guidelines. These other methods yielded on average 70 to 91% of the energy generation estimated using the newly developed method. Economic assessment of the potential 9 sites showed that 4 sites are suitable for retrofitting with a microturbine, with estimated payback periods between 1.7 and 6.9 a.:Kurzfassung i Abstract ii Danksagung & Acknowledgements iii Inhaltsverzeichnis vi Abkürzungsverzeichnis viii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Zielstellung 2 1.3 Gliederung der Arbeit 6 2 Energiemanagement in der Wasserversorgung 8 2.1 Vergleich zwischen Deutschland und den USA hinsichtlich Effizienz bei der Nutzung von Wasser und Energie 8 2.2 Die ISO 50001 als Leitfaden und Maßstab für Energieeffizienzmaßnahmen 9 2.3 Die Rolle von politischen Randbedingungen 10 3 Energiemanagement in der Praxis 13 3.1 Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß ISO 50001 für einen sächsischen Zweckverband 13 3.2 Fünf Fallbeispiele aus dem Betrieb eines EnMS von deutschen Wasserversorgern – Inspiration für WVU in den USA 15 Fallbeispiel 1: Bestehende Daten ausnutzen, dann neue Daten erfassen 15 Fallbeispiel 2: Kosteneinsparung durch Verringerung von Leistungsspitzen und verbesserte Vertragsgestaltung 15 Fallbeispiel 3: Druckerhöhungsanlagen (DEA) – Einsparung von Pumpenergie 16 Fallbeispiel 4: Einsparung von Heizenergie in einem Wasserwerk 17 Fallbeispiel 5: Energiegewinnung durch Mikroturbinen 17 4 Energieeffizienzsteigerung von Pumpen in Uttarakhand 19 4.1 Untersuchung der Energieeffizienz von 43 Pumpanlagen im Bundesstaat Uttarakhand, Indien 19 4.2 Umsetzung einer Ersatzmaßnahme für 2 Pumpen der Pumpstation Jinsi II 19 4.3 Bewertung der Maßnahme und Wege zur weiteren Einsparung 21 5 Energieeffizienzsteigerung beim Betrieb von Brunnengalerien 24 5.1 Beschreibung der Methodik und Voraussetzungen zur Nutzung 24 5.2 Anwendung an 2 Standorten in Mitteldeutschland mit Auswertung 27 6 Energiegewinnung durch Mikroturbinen in Deutschland & Indien 30 6.1 Voraussetzungen zur Energiegewinnung & 2 Typen Turbinenstandorten 30 6.2 Methodik zur Optimierung der Energieerzeugung an Standorten mit durch Fallleitungen gespeisten Speicherbehältern (Typ 1, „gepuffert“) 31 6.3 Anwendung an 9 Standorten in Sachsen mit Auswertung 34 6.4 Machbarkeitsstudie zum Einsatz von Mikroturbinen in Uttarakhand, Indien 35 7 Zusammenfassung und Ausblick 37 Literaturverzeichnis 42 Beiliegende Publikationen 46 Beiliegende Publikation 1 47 Beiliegende Publikation 2 65 Beiliegende Publikation 3 77 Beiliegende Publikation 4 95 Beiliegende Publikation 5 111 Beiliegende Publikation 6 125 Beiliegende Publikation 7 165

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