"La protezione delle reti acquedottistiche da eventi di contaminazione intenzionale e accidentale"

1. Sponsor dell’evento
La protezione delle reti acquedottistiche da eventi di contaminazione intenzionale e accidentale
Enrico Creaco
Professore Ordinario di Costruzioni Idrauliche
Università degli Studi di Pavia
Giovedì 25 Gennaio 2024| IREN, Reggio Emilia
SCUOLA DI ALTA FORMAZIONE

2. Qualità dell’acqua nelle reti di distribuzione
• Oltre ai requisiti di portata e pressione, rispetto di parametri di qualità
• Decreto Legislativo n. 31 del 2001, che recepisce la Direttiva 98/83/CE
• necessità di effettuare monitoraggio

3. Qualità dell’acqua nelle reti di distribuzione
• Monitoraggio = programma per parametri, frequenze e punti di campionamento
• Fotografia della qualità dell’acqua distribuita in tutta la filiera
• Il decreto si applica a tutte le acque per consumo umano, indipendente da origine
e tipo di fornitura
• Consumo umano include uso potabile, preparazione di cibi e bevande, contatto
con il corpo umano nelle varie pratiche di lavaggio
• DM 14.06.2017 che recepisce la Direttiva
(UE) 2015/1787 (che modifica gli allegati II e
III della direttiva 98/83/CE)
introduzione dei Water Safety Plans

4. Water Safety Plans
• I piani di sicurezza dell'acqua costituiscono una rivoluzione, passaggio da approccio
retrospettivo ad approccio predittivo
• Miglioramento e superamento dei piani di monitoraggio per razionalizzare ed
adeguare i processi al fine di ottimizzare i requisiti igienicosanitari dell’acqua
distribuita
• Sistema globale di gestione del rischio
esteso all’intera filiera idrica
• Concreta e puntuale valutazione dei rischi
a riguardo dei parametri/sostanze da
monitorare e frequenza di monitoraggio

5. Sistema globale di gestione del rischio
• Valutazione di tutti i possibili pericoli che possono compromettere la sicurezza
dell’acqua in ogni fase: dalla captazione alla distribuzione sino al punto di consegna
all’utenza

6. Criticità
• la qualità ed efficienza del servizio idrico influenzano la prosperità socio-
economica e la salute della popolazione
• le reti sono vulnerabili per via delle loro notevoli complessità e estensione
• la gravità del danno rende il rischio molto elevato, che rappresenta quindi una
minaccia da scongiurare

7. Smart Water Grids (SWG)
• All’interno del concetto urbanistico di città intelligente (Smart City), rivolto
all'ottimizzazione e all'innovazione dei servizi pubblici con impiego di tecnologie
innovative
• Integrano sensori e componenti analitici per controllare che l’acqua sia distribuita
con adeguati parametri di qualità (pH, ossigeno, temperatura, cloro residuale,
conduttività)
• Trasferimento di dati rilevati in continuo a una
centrale, dove avviene processo decisionale
• Minore lavoro sul campo, maggiore quantità
e frequenza di dati monitorati
• Prospettiva di controllo in tempo reale (RTC)

8. Sensori

9. Alcune installazioni del gruppo CAP
• Esempio di installazione per il
monitoraggio della qualità dell’acqua
sia in uscita dai grandi impianti che
lungo la rete di distribuzione
• Possibilità di alimentare pannello
multiparametrico con microturbina
• Ricerca di correlazioni tra i parametri per la riduzione del numero di parametri misurati

10. Possibili contaminazioni
• Eventi accidentali, ad esempio:
a) ingresso di acqua contaminata dall’esterno nel corso di
riparazione/sostituzione delle condotte o in condizioni di bassa pressione;
b) ingresso di acqua contaminata da pozzi privati, in presenza di connessioni con
acquedotto e nel caso di cattivo funzionamento di valvole di ritegno;
c) deterioramento tubazioni e/o erosione del biofilm adeso alle superfici interne
d) cattiva manutenzione dei serbatoi o efficienza degli impianti di trattamento
• Eventi intenzionali: azioni vandaliche o
attacchi terroristici, stato di allerta
dopo eventi dell’11 settembre

13. Gestione degli eventi di contaminazione
• Tre fasi fondamentali:
a) identificazione dell’evento, mediante l’uso di sensori;
b) reazione all’evento, mediante l’uso di valvole di sezionamento;
c) ripristino della rete, eliminazione dell’acqua contaminata all’interno delle
condotte, immissione della nuova acqua e disinfezione, prima della ripresa del
servizio.
• il problema dell’identificazione dell’evento, e in particolare del posizionamento
ottimale dei sensori, è di gran lunga quello più studiato nella letteratura scientifica
• non è possibile installare un sensore in ogni nodo

14. Posizionamento ottimale di sensori in rete
• Utilizzo della modellazione numerica fisicamente basata per la simulazione dei
processi di quantità e qualità
• Ipotesi frequenti: contaminante non reattivo e sensore ideale in grado di
individuare qualunque contaminante
• Funzioni obiettivo: costo del sistema di sensori da minimizzare e affidabilità da
massimizzare, espressa mediante una delle seguenti variabili:
a) probabilità di rilevamento;
b) popolazione contaminata;
c) tempo di rilevamento;
d) ridondanza
• ottimizzazione multi-obiettivo

15. Posizionamento ottimale di sensori in rete
• numerose possibili configurazioni di sensori:
• per n= 100 e Nsens=5, si hanno 75,287,520 possibili combinazioni
• numero elevato di possibili scenari di contaminazione, che differiscono per
posizione dell’immissione, inizio, durata e massa del contaminante
• necessità di effettuare semplificazioni per ottenere soluzioni anche nel caso di reti
topologicamente complesse
𝑛
𝑁𝑠𝑒𝑛𝑠
=
𝑛!
𝑁𝑠𝑒𝑛𝑠! 𝑛 − 𝑁𝑠𝑒𝑛𝑠 !

16. Posizionamento ottimale di sensori in rete
• Procedura multi-fase (Giudicianni, Herrera, Di Nardo, Creaco, Greco, 2022):
• Fase topologica: individuazione dei nodi topologicamente più significativi
• Fase logistica: classificazione dei nodi sulla base dell’accessibilità
• Fase di ottimizzazione: ricerca delle configurazioni ottimali mediante tecnica
euristica
• Fase economica: valutazione dei costi in funzione del budget disponibile

17. Posizionamento ottimale di sensori in rete – fase topologica
• I nodi topologicamente più centrali sono a metà dei tronchi con valore più alto della
edge betweenness:
• bc(l) è il valore per il generico tronco l
• vi e vj sono due generici nodi della rete
• 𝝈𝒗𝒊𝒗𝒋
è il numero di percorsi di minima lunghezza tra i due nodi generici
• 𝝈𝒗𝒊𝒗𝒋
𝑙 è il numero di percorsi di minima lunghezza che passano per il tronco 𝑙
• valore alta dell’edge betweenness se molti percorsi minimi passano per quel tronco
𝒃𝒄 𝒍 =
𝒗𝒊𝒗𝒋∈𝑽
𝝈𝒗𝒊𝒗𝒋(𝒍)
𝝈𝒗𝒊𝒗𝒋

18. Posizionamento ottimale di sensori in rete – fase logistica
• classificazione delle possibili sedi
di installazione sulla base
dell’accessibilità:
a) tronchi verdi: edifici
appartenenti ai gestori o
edifici pubblici regolarmente
accessibili (sedi desiderabili)
b) tronchi rossi: crocevia trafficati (sedi sconsigliate)
c) tronchi blu: non appartenenti alle precedenti categorie (sedi con
caratteristiche intermedie)

19. Posizionamento ottimale di sensori in rete – fase di ottimizzazione
• definizione degli scenari di contaminazione: ogni nodo può essere punto di
immissione, che può avvenire ad ogni ora del giorno
• dopo aver eliminato le sedi sconsigliate, ottimizzazione che considera, una per
volta, tutte le possibili sedi
• le configurazioni ottimali sono ottenute mediante l’ottimizzatore presente nel
software TEVA-SPOT
• massimizzazione della probabilità di rilevamento delle contaminazioni

20. Posizionamento ottimale di sensori in rete – fase economica
• stima dei costi per ognuna delle stazioni individuate nell’ottimizzazione:
𝑪𝒔𝒕 =
𝑪𝒔𝒆𝒏𝒔 = 𝟏𝟎, 𝟎𝟎𝟎 €, 𝒑𝒆𝒓 𝒍𝒆 𝒔𝒆𝒅𝒊 𝒅𝒆𝒔𝒊𝒅𝒆𝒓𝒂𝒃𝒊𝒍𝒊
𝑪𝒔𝒆𝒏𝒔 + 𝑪𝒄𝒘 = 𝟏𝟑, 𝟎𝟎𝟎 € 𝒑𝒆𝒓 𝒍𝒆 𝒔𝒆𝒅𝒊 𝒄𝒐𝒏 𝒄𝒂𝒓𝒂𝒕𝒕𝒆𝒓𝒊𝒔𝒕𝒊𝒄𝒉𝒆 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒎𝒆𝒅𝒊𝒆

21. Posizionamento ottimale di sensori in rete – applicazione
• Rete di distribuzione di Parete, comune di circa 11,000 abitanti, 2 nodi sorgente,
182 nodi eroganti e 282 tronchi. Domanda totale media: 54 L/s

22. Posizionamento ottimale di sensori in rete – applicazione
• risoluzione della fase topologica e logistica
Dummy nodes Least desirable locations (red)
Edge betweenness

23. Posizionamento ottimale di sensori in rete – applicazione
• risoluzione della fase di ottimizzazione e della fase economica
• Installazione di 6 sensori con un budget
massimo di 75,000 €

24. Posizionamento ottimale di sensori in rete in reti distrettualizzate
• distrettualizzazione
• pratica che facilita monitoraggio consumi e
identificazione degli eventi anomali
• ai tronchi di confine tra i distretti, possibilità di chiudere
la valvola di sezionamento o installare misuratore di
portata
• a dx, suddivisione in 5 distretti. In tutto 21 tronchi di
confine: 13 saracinesche e 8 misuratori

25. Posizionamento ottimale di sensori in rete in reti distrettualizzate
• idea: utilizzo duale dei tronchi di confine (Ciaponi,
Creaco, Di Nardo, Di Natale, Giudicianni, Musmarra, Santonastaso, 2019)
• ai tronchi di confine, connessione con la rete
elettrica già disponibili per alimentazione dei
misuratori
• possibile uso congiunto per inserimento di
stazioni di monitoraggio della qualità

26. Posizionamento ottimale di sensori in rete in reti distrettualizzate
• Confronto di vari scenari di piazzamento

27. Posizionamento ottimale di sensori in rete in reti distrettualizzate
• la distrettualizzazione consente di confinare la propagazione del contaminante
• migliorare le prestazioni del sistema di rilevamento delle contaminazioni
• l’utilizzo dei tronchi di confine e di nodi topologicamente centrali nei distretti per il
posizionamento dei sensori consente di semplificare notevolmente il processo
di ottimizzazione
• prestazioni del sistema quasi identiche a quando l’ottimizzazione viene condotta
considerando l’insieme totale delle sedi possibili di installazione

28. Reazione e ripristino di reti distrettualizzate
• la distrettualizzazione fornisce soluzioni
convenienti per la gestione delle contaminazioni
• in fase di reazione, si può interrompere il servizio
solo sul distretto contaminato
• In fase di chiusura dei tronchi di confine, viene
dato l’allarme alla popolazione
• il distretto può essere svuotato utilizzando i
pozzetti di scarico

29. Reazione e ripristino di reti distrettualizzate
• la distrettualizzazione fornisce soluzioni
convenienti per la gestione delle contaminazioni
• in fase di ripristino, si riaprono i tronchi di
confine per riempire nuovamente le condotte con
acqua inizialmente iperclorata
• vengono attivati gli idranti per consentire la
fuoriuscita dell’acqua iperclorata mantenendo
inizialmente il divieto di consumo
• Una volta trascorso il tempo necessario a
neutralizzare la contaminazione, viene
ricominciato il servizio alle utenze

30. Conclusioni
• riferimenti normativi sul monitoraggio della qualità nelle reti di distribuzione
• introduzione e significato dei Water Safety Plans per la protezione delle reti
• sensori e stazioni di monitoraggio
• origine e caratterizzazione degli eventi di contaminazione
• gestione degli eventi di contaminazione (identificazione, reazione e ripristino)
per la protezione delle reti
• benefici della distrettualizzazione

31. Riferimenti bibliografici
ASCE, 2004. Interim Voluntary Guidelines for Designing an On-line Contaminant Monitoring System. ASCE, Reston, Va.
Ostfeld, A., and Salomons, E. (2004). Optimal layout of early warning detection stations for water distribution systems security. Journal of
Water Resources Planning and Management, 130(5), 377-385.
Ostfeld, A., Uber, J. G., Salomons, E., Berry, J. W., Hart, W. E., Phillips, C. A., Watson, J. P., Dorini, G., Jonkergouw P., Kapelan, Z., Di Pierro, F.,
Khu, S. T., Savic, D., Eliades, D., Polycarpou, M., Ghimire S. R., Barkdoll B. D., Gueli, R., Huang, J. J., McBean, E. A., James, W., Krause, A.,
Leskovec, J., Isovitsch, S., Xu, J., Guestrin, C., VanBriesen, J., Small, M., Fischbeck, P., Preis, A., Propato, M., Piller, O., Trachtman, G. B., Wu,
Z. Y., and Walski, T. (2008). The battle of the water sensor networks (BWSN): a design challenge for engineers and algorithms." J. Water
Resour. Plann. Manag. 134 (6), 556-568.
Adedoja, O. S., Hamam, Y., Khalaf, B., & Sadiku, R. (2019). A state-of-the-art review of an optimal sensor placement for contaminant
warning system in a water distribution network. Urban Water Journal, 1-16.
Ciaponi, Creaco, Di Nardo, Di Natale, Giudicianni, Musmarra, Santonastaso (2019). Reducing impacts of contamination in water distribution
networks: A combined strategy based on network partitioning and installation of water quality sensors. Water, 11(61), 1315.
Giudicianni, Herrera, Di Nardo, Creaco, Greco (2022). Multi-criteria method for the realistic placement of water quality sensors on pipes of
water distribution systems. Environmental Modelling and Software, 152(2022), 105405.