Rehabilitation Prioritisation in Wastewater Collection Networks Using Multi-Criteria Decision Making (MCDM) Techniques

Abstract

The wastewater collection network serves as an important infrastructure for safely transporting wastewater from urban areas. Over time, pipe conditions can worsen, causing service disruptions and polluting water sources. Rehabilitation planning often lacks systematic approaches to prioritising pipes for rehabilitation.

Therefore, this thesis presents a Multi-Criteria Decision Making (MCDM) approach for prioritising wastewater collection pipes for rehabilitation planning. For this purpose, the Analytical Hierarchy Process (AHP) was used to weigh the criteria, including physical, operational, environmental, and economic criteria. Simple Additive Weighting (SAW) and Technique for Order Preference and Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) were used for pipe prioritisation. Afterwards, the results were grouped into high, medium, and low rehabilitation priority levels using K-means clustering and GIS. This methodology was applied to a small study area in Nordre Follo municipality, Norway.

SAW and TOPSIS identified similar pipes for high rehabilitation priority, accounting for 11.9 % and 13.3 % of the total pipe length, respectively. These pipes were mainly concrete pipes installed before 1992. Both methods categorised all the pipes with historical failures as high rehabilitation priority, with this criterion receiving the highest weight. However, SAW and TOPSIS differed in their low- and medium-rehabilitation priority categorisations. TOPSIS categorised more pipes as low rehabilitation priority, resulting in fewer medium rehabilitation priority pipes, potentially underestimating their maintenance needs. Comparing Nordre Follo municipality's rehabilitation rate and the rehabilitation needs identified in this study, the municipality is advised to increase its rehabilitation activities.

However, due to insufficient data regarding historical failures, this technique does not accurately represent the municipality's main problems. With optimisation that includes more relevant data, the MCDM method is a valuable tool for systematically identifying and prioritising pipes for rehabilitation and asset management. This can facilitate municipalities in proactively managing assets and allocating resources efficiently, contributing to sustainable wastewater management.

Avløpsnettet er essensiellt for trygg transport av både spillvann og overvann ut fra urbane områder. Grunnet ulike faktorer kan rørtilstaden forverres over tid, og forårsake driftsavbrudd og forurensning av vannkilder. Planlegging av rørrehabilitering mangler ofte systematiske metoder for å rangere hvilke rør som bør prioriteres for rehabilitering.

Denne masteroppgaven presenterer en systematisk tilnærming ved bruk av flermålsanalyser (MCDA) for å rangere avløpsrør for rehabiliteringsformål. Til dette formålet ble det definert økonomiske, fysiske, operative og miljøkriterier, som ble vektet ved bruk av Analytical Hierarchy Process (AHP). Simple Additive Weighting (SAW) og Technique for Order Preference and Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) ble benyttet for å evaluere og rangere rørene. Resultatene ble videre gruppert inn i høy, middels og lav prioritet for rehabilitering ved bruk av K-means clusteranalyse og GIS. Denne metoden ble implementert på et lite caseområde på Kolbotn i Nordre Follo kommune.

Rørene som ble identifisert som høy prioritet for rehabilitering ved bruk av SAW og TOPSIS viste betydelige likheter. Disse utgjorde henholdsvis 11,9 % og 13,3 % av den totale rørlengden i nettverket. Hovedsaklig var disse rørene betongrør installert før 1992. Begge metodene kategoriserte alle rør med historiske svikt som høy prioritet for rehabilitering, ettersom dette kriteriet ble vektet høyest. TOPSIS kategoriserte imidlertid en større andel av rørene som lav prioritet for rehabilitering. Dette førte til at færre rør ble kategorisert som middels prioritet, og dermed potensielt underestimeres vedlikeholdsbehovet. Ved å sammenlikne rehabiliteringsraten til Nordre Follo kommune med det identifiserte behovet for rehabilitering, anbefales Nordre Follo å øke deres rehabiliteringsaktiviteter.

Imidlertid representerer ikke resultatene fra denne studien Nordre Follo kommunes hovedutfordringer, grunnet manglende data om historiske svikt i rør. Ved å inkludere andre relevante data med god kvalitet, kan denne MCDA metoden optimaliseres til et verdifullt verktøy. Dette kan tilrettelegge for kommuner i å proaktivt forvalte ledningsnettet og effektivt bruk av ressurser, som kan bidra til bærekraftig forvaltning av ledningsnettet.