Towards a better urban water infrastructure asset management by condition assessment and cost modelling

Marta Sofia Ferreira Cabral

Key information

Authors:

Marta Sofia Ferreira Cabral (Marta Sofia Ferreira Cabral)

Supervisors:

Dídia Isabel Cameira Covas (Dídia Isabel Cameira Covas); Dália Susana dos Santos da Cruz Loureiro (Dália Susana dos Santos da Cruz Loureiro)

Published in

July 9, 2021

Abstract

A gestão patrimonial de infraestruturas tem vindo a tornar-se cada vez mais uma preocupação para as entidades gestoras de água e decisores políticos, permitindo melhorar a gestão a nível operacional, tático e estratégico de infraestruturas urbanas de água. Não obstante, a sua implementação pelas entidades gestoras está ainda longe do necessário, devido aos vários desafios associados às limitações de recursos humanos, tecnológicos e financeiros. A presente tese tem como objetivo melhorar a gestão patrimonial de infraestruturas urbanas de água através de uma abordagem integrada de tomada de decisão, que integra novas metodologias de avaliação de condição, previsão da vida útil e modelação de custos. Esta abordagem pode ser aplicada em três níveis de avaliação – macro, meso e micro. Nos níveis de avaliação macro e meso, a sua aplicação permite identificar os ativos prioritários e estudar diferentes soluções de reabilitação de longo prazo. No nível de avaliação micro, a abordagem permite efetuar o diagnóstico e priorização ao nível do componente ou ativo para estudar diferentes soluções de intervenção. A abordagem de tomada de decisão engloba desenvolvimentos científicos relevantes na avaliação de condição, na previsão de vida útil e na modelação de custos. É proposta uma abordagem de avaliação da condição física de ativos verticais (i.e., tipicamente não enterrados) através da identificação e classificação de anomalias usando um novo sistema de inspeção normalizado. É desenvolvida uma nova metodologia de previsão da vida útil, que permite estudar a influência de fatores físicos, operacionais e ambientais na deterioração dos ativos, desenvolver modelos de deterioração e validar as vidas úteis de referência em Portugal. É apresentada uma metodologia para determinar os custos de referência para diferentes tipos de intervenções em ativos urbanos de água ao longo do seu ciclo de vida, permitindo melhorar a avaliação e seleção de soluções. As metodologias propostas são aplicadas a um conjunto alargado de casos de estudo de entidades gestoras nacionais, com diferentes níveis de maturidade e conhecimento infraestrutural e operacional. Os principais resultados desta investigação são: (i) a proposta de três novos índices para calcular a deterioração média e máxima de componentes, ativos e infraestruturas; (ii) o desenvolvimento de modelos de deterioração e a previsão de vidas úteis para reservatórios e estações elevatórias de águas residuais; (iii) a determinação de custos de referência atualizados para as intervenções mais comuns em ativos urbanos de água; e (iv) a proposta de uma abordagem integrada de tomada de decisão que incorpora novos desenvolvimentos científicos para uma melhor gestão patrimonial de infraestruturas urbanas de água. Infrastructure asset management (IAM) has been increasingly becoming a key topic in the mind-set shift of the water sector managers and policy makers, allowing to assist in the operational, tactical and strategic decision-making in urban water infrastructures. Nevertheless, IAM implementation by the water utilities is still far from needed and not widespread, due to several challenges and constraints, mainly associated with limited human, technological and financial resources. The current research aims at enhancing urban water infrastructure asset management through an integrated decision-making approach, that includes novel methodologies for condition assessment, service life prediction and cost modelling. This approach can be applied at three assessment levels – macro, meso and micro – allowing the identification of intervention priority assets and the study of different long-term rehabilitation solutions, when applied at the meso and macro level, and the diagnosis, prioritization and study of different intervention solutions at the micro assessment level. The decision-making approach encompasses relevant scientific developments in condition assessment, service life prediction and cost modelling. A comprehensive distress-based condition assessment approach specifically tailored to evaluate the physical condition of vertical assets (i.e., typically constructed above-ground) is proposed, through the identification and classification of anomalies using a new standardized visual inspection system. A novel methodology for service life prediction through the development of deterioration models is presented, allowing to study the influence of physical, operational and environmental factors on the asset deterioration and to compare the obtained results with the reference service lives in Portugal. A systematic methodology to determine reference costs for different types of interventions in urban water assets during their lifecycle is also proposed, allowing to improve the assessment and the selection of solutions. The application of scientific developments is carried out in a large dataset of assets from water utilities with different maturity levels and infrastructural and operational knowledge. The main outcomes of this research are: (i) the proposal of three novel indices to calculate the average and the maximum deterioration index of components, assets and infrastructures; (ii) the development of deterioration models and the prediction of service lives for storage tanks and wastewater pumping stations; (iii) the estimation of reference costs for the most common interventions in urban water assets; and (iv) the proposal of an integrated decision-making approach incorporating the new scientific insights towards a better urban water infrastructure asset management.