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«Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche: soluzioni nuove a problemi vecchi»
Prof. Ing. Maurizio Righetti
Responsabile Laboratori Fluidodinamica
Libera università di Bolzano – LUB
maurizio.righetti@unibz.it
Giovedì 25 Gennaio 2024| IREN, Reggio Emilia
SCUOLA DI ALTA FORMAZIONE
2
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
L’Università di Bolzano e il gruppo di ricerca
 Massimiliano Giorgio Bort  Massimiliano Renzi,
 Andrea Menapace  Maurizio Tavelli,
 Daniele Della Torre  Majid Niazkar,
 Michael K. Kostner  Pranav Dhawan
 Francesca Peretti,  Jacopo C. Alberizzi,
 …  ...  ...
Sede della Facoltà di Ingegneria
e
Parco Tecnologico NOI Techpark
https://noi.bz.it/en
3
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
L’Università di Bolzano e il gruppo di ricerca
2018 2020 2023
I Laboratori di Fluidodinamica nei quali è insediata l’ ”unità CFD e AI” dedicata all’Idraulica - Processi e
Meccanica dei fluidi
4
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
L’Università di Bolzano e il gruppo di ricerca
Alcune installazioni sperimentali
Responsabile di laboratorio: Prof. Righetti Maurizio
Ricercatori di ruolo: Prof. Larcher Michele e Prof.
Massimiliano Renzi
Ricercatori RTD-A: Pisaturo Giuseppe e Menapace Andrea
Assegnisti: Prati Anna, Stradiotti Giulia, Majid Niazkar
Dottoranti: 7
Ambiti di ricerca e consulenza:
- Costruzioni idrauliche
- Reti di distribuzione acque
- Reti neurali
- Modellazione numerica
- Sicurezza idraulica
- Idraulica fluviale
- Meccanica dei fluidi
- Macchine a fluido
- Fluidi complessi e granulari
5
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Da dove siamo partiti con l’acquedottstica
Vincenzo Stefano Breda nasce a Limena (PD) il 30 aprile 1825.
Nel 1849, a24 anni, progetta la linea ferroviaria Venezia - Padova; negli anni seguenti
progetta e costruisce le tratte ferroviarie Padova - Vicenza, Vicenza - Verona, Verona - Brescia.
Nel 1872 fu tra i fondatori della società Veneta costruzioni pubbliche, di cui assunse la guida;
nel 1884 fu tra coloro che promossero le Acciaierie di Terni.
cinque volte deputato e poi senatore
Lasciò un profondo segno nella storia dello sviluppo economico e sociale dell'Italia
contemporanea
Nel 1886  nuovo acquedotto di Padova
Rwanda
6
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Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Da dove siamo partiti: Rwanda 2003-2010
Il paese delle 1000 colline
7
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Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2010
8
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006
T
• Le sorgenti sono localizzate a mezza costa,
• le persone vivono sui crinali, per evitare problemi
di malaria.
• Serve quindi un sistema per sollevare l’acqua in
modo continuativo ed a basso costo
Adduzione e sollevamento
• Sorgente
• Filtro a travertino
T Traversa
Stazione di sollevamento (turbina e pompa)
Rete di distribuzione
• Serbatoi
• Condotte
• Fontane
9
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006
Le mappe di supporto: ultima copia cartacea (colonia Belga)
al MINAGRI-Ministry of Agriculture and Animal Resources
a Kigali
10
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006
La digitalizzazione e QGIS
11
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006
INQUADRAMENTO DELL’AREA DI PROGETTO
LUOGO: GIHEMBE REFUGEE CAMP E VILLAGGI LIMITROFI, DISTRETTO DI GICUMBI, PROVINCIA
SETTENTRIONALE
PROGETTAZIONE: SECONDO CRITERI DI SOSTENIBILITA’, già verificati in precedenti interventi
POPOLAZIONE INTERESSATA: 29˙820 ABITANTI
12
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Scuola di Alta Formazione
Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006
13
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Scuola di Alta Formazione
Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006
14
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Scuola di Alta Formazione
Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006
15
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Scuola di Alta Formazione
Il territorio montano
PAESAGGIO RWANDESE PAESE in TRENTINO ALTO ADIGE
16
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Scuola di Alta Formazione
Da Q-GIS a Q-EPANET
La digitalizzazione e QGIS
Q-Epanet Open Source, più di 40.000 downloads
17
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Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Verso la digitalizzazione
TRANSIZIONE DIGITALE significa  revisione dei processi,
utilizzando prodotti e fornendo servizi basati su tecnologie digitali (hardware) e
strategie digitali (software), per
aumentare l’efficienza dei sistemi (acquedotti).
La DIGITALIZZAZIONE
• interessa vari aspetti dei sistemi acquedottistici, dall’utilizzo del gemello digitale per la modellizzazione e per il
monitoraggio, ai sensori e misuratori smart, utili per la calibrazione del modello e la rendicontazione dei volumi
consumati dall’utenza.
• volta a supportare i processi decisionali e le attività tecniche per efficientare il servizio
La raccolta e la valutazione più semplice, accessibile e rappresentativa dei dati relativi ai processi
costituisce la base di conoscenza per fornire informazioni utili all’efficienza.
“Digital Transition, Digital Twin and Digital Water: History, Concepts and Overview for the application to Aqueducts”, Journal Digital Water, 2024
18
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Scuola di Alta Formazione
VANTAGGI DELLA DIGITALIZZAZIONE:
• ottimizzazione della gestione idraulica delle reti.
• aumento dell’efficienza operativa,
• migliore qualità dei dati raccolti e tempestiva individuazione dei guasti e la riduzione delle perdite.
Nella transizione digitale, l’implementazione di prodotti e sistemi di monitoraggio basati sulle tecnologie
digitali, è funzionale alla acquisizione di informazioni che, opportunamente analizzate e interpretate,
consentono di raggiungere l’efficienza dei processi.
Nei sistemi idrici, raggiungere l’efficienza implica supportare le decisioni relative alle attività
tecniche, all’informazione e alla formazione del capitale umano.
Questo inevitabilmente può implicare la riorganizzazione delle società idriche.
Verso la digitalizzazione
19
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Scuola di Alta Formazione
La digitalizzazione e QGIS
DATI
• Collezione di informazioni da vari archivi
(e.g. Comune, storico, misuratori,..)
• Verifica consistenza dati
• Integrazione e aggiornamento
MODELLAZIONE
• Verifica consistenza layout rete
• Modellazione idraulica dell’acquedotto
• Calibrazione del modello
ANALISI STATO DI FATTO
• Studio del funzionamento del sistema
• Analisi delle criticità
• Bilancio idrico
PIANIFICAZIONE
• Analisi priorità di interventi
• Pianificazione ottimale costi/benefici per
rinnovamento ed adeguamento tecnologico
SOLUZIONE
• Soluzione ottimale della specifica fase
pianificata grazie a metodologia avanzate di
modellazione, ottimizzazione ed AI
PROGETTAZIONE E GESTIONE
• Progettazione interventi
• Gestionale per minimizzare i costi e le perdite
idriche ed ottimizzare gestione e manutenzione
Sistema GIS open source come supporto per:
20
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Scuola di Alta Formazione
La digitalizzazione: in pratica (secondo noi)
Tanks measured
flow rates in 2021
INFORMAZIONE
Data collection
Rilievo
georeferen-ziato
del Sistema
fisico
Dati da sensori
Informazioni
“storico”
DATA
ANLYSIS
Pre-processing
Caratterizzazio
ne Domanda
Idrica
Stima Perdite
idriche
Analisi in
campo
DIGITAL
TWIN
Costruzione
modello
idraulico
Implementazione
componenti e
regole funziona-
mento
Model
calibration
RISULTATI
Quadro del sistema
di gestione
integrato
Strumenti:
generazione di
dati,
ottimizzatore,
previsione ML e
rilevamento di
anomalie,
pianificatore,...
Water demand
characterisation
Hydraulic modelling
with QEPANET
Extended period
hydraulic simulation)
21
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Scuola di Alta Formazione
Alcuni esempi
Localizzazione perdite
Metodi hardware-based
metodi acustici, correlatori,
transitori di pressione ….
Metodi data-driven
Metodi model-based
confronto dei valori misurati di
pressioni-portate in nodi significativi
con i valori calcolati dal modello
“Review of leakage detection in water distribution networks” Negm, XiandongMa,
Aggidis, 2023
22
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Scuola di Alta Formazione
Alcuni esempi
Necessita di:
• modello idraulico della rete
• Calibrazione
• Scelta appropriata dei nodi da monitorare
• Basato su confronto dati simulati con modello-dati misurati
Localizzazione perdite
Metodi hardware-based
metodi acustici
correlatori
Metodi data-driven
Metodi model-based
confronto dei valori misurati di pressioni-portate in
nodi significativi con i valori calcolati dal modello
23
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Alcuni esempi
Localizzazione perdite
Metodi model-based
confronto dei valori misurati di pressioni-portate in nodi significativi con i valori calcolati dal modello
• Necessita di modello idraulico della rete
• Calibrazione
• Scelta appropriata dei nodi da monitorare
• Basato su confronto dati simulati con modello-dati misurati
Calibrazione
Non appena il modello è completato, è necessario convalidarlo attraverso diverse tecniche
per garantire che il modello segua l'esempio della vita reale.
Le tecniche di calibrazione utilizzate sono la simulazione dello stato stazionario e del
periodo esteso (EPS) e le confrontano con i dati sul campo
24
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Scuola di Alta Formazione
Alcuni esempi
Localizzazione perdite
Metodi model-based
confronto dei valori misurati di pressioni-portate in nodi significativi con i valori calcolati dal modello
Scelta appropriata dei nodi da monitorare
È fondamentale sapere quali punti della rete sono i più rappresentativi al fine di installarvi i
sensori.
Lo scopo è sia massimizzare la sensibilità dei misuratori di pressione rispetto alle perdite,
sia fornire misure non correlate.
Questi due requisiti sono soddisfatti da un'analisi di sensibilità e da una successiva analisi di
correlazione del WDS.
Una volta inseriti i sensori in campo, si confrontano i dati misurati ai sensori con i risultati ai
sensori ottenuti dalla simulazione idraulica
“Optimal Selection and Monitoring of Nodes Aimed at Supporting Leakages
Identification in WDS”, Righetti, Giorgiobort, … , 2019
25
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Scuola di Alta Formazione
Alcuni esempi
2
WSS di Egna-Neumarkt
Caratteristiche del sistema
 Tipico acquedotto montano:
- Forti variazioni di quota lungo la rete
- Forti perdite idriche: ~ 50%
 5250 abitanti serviti
 28 km di tubazioni con diametri 50-150 mm
 2 serbatoi principali in quota
 2 impianti di pompaggio
 2 potenziali valvole regolatrici di pressione (PRD)
Localizzazione perdite
26
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Scuola di Alta Formazione
Alcuni esempi
Localizzazione perdite
inseriti i sensori in campo
Calibrata la rete
WSS di Egna-Neumarkt
27
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Scuola di Alta Formazione
Alcuni esempi
Localizzazione perdite
inseriti i sensori in campo
Calibrata la rete
Individuata una zona di perdite
WSS di Egna-Neumarkt
28
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
Alcuni esempi
Calibrazione rete
il diametro e le condizioni reali delle tubazioni possono
essere incognite.
Confronto tra misure e simulazioni idrauliche per la
calibrazione della portata (domanda idrica+perdite) e
dei diametri delle tubazioni
Esempio di confronto tra
portate misurate e calibrate
WSS di Egna-Neumarkt
29
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
Alcuni esempi
Calibrazione rete
Esempio di confronto tra
portate misurate e calibrate
il diametro e le condizioni reali delle tubazioni possono
essere incognite.
Confronto tra misure e simulazioni idrauliche per la
calibrazione della portata (domanda idrica+perdite) e
dei diametri delle tubazioni
WSS di Egna-Neumarkt
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Scuola di Alta Formazione
Osservazione sulla simulazione idraulica
• Si possono avere inversioni di flusso nel tronco
• Le perdite dipendono dalla pressione
Non tutti i simulatori idraulici van bene
Bisogna scegliere un APPROPRIATO simulatore idraulico
Demand driven vs. Pressure driven
31
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Scuola di Alta Formazione
Hydraulic models:
a) NDD nodal demand driven [Todini & Pilati, 1988]
b) NPD nodal pressure driven [Siew]
c) DDD distributed demand driven [Menapace et al., 2018a]
d) DPD distributed pressure driven [Menapace et al., 2019]
Osservazione sulla simulazione idraulica
“Pressure Flow-Based Algorithms for Pressure-Driven Analysis of Water Distribution Networks”, Todini, Santopietro, Gargano, Rossman (2021).. Journal of Water Res. Planning and Manag., 2021
“Application of Distributed Pressure Driven Modelling in Water Supply System”. 2018 Menapace, Righetti, Avesani WDSA/CCWI joint conference proceedings
“Uniformly distributed demand EPANET extension”. 2019 Menapace, Avesani, Righetti, Bellin, Pisaturo. Water resources management
32
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Scuola di Alta Formazione
• Comune trentino 8500 ab
(raddoppiano di estate)
• Orografia montana dislivelli di piu di 100 m
WSS di Levico (TN)
Alcuni esempi
Distrettualizzazione
33
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Scuola di Alta Formazione
Alcuni esempi
Diverse frazioni «quasi isolate»
ed a quote diverse
Vetriolo
Levico Alta
Castagneto
Barco
S. Giuliana
Distrettualizzazione
WSS di Levico
34
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Scuola di Alta Formazione
• 22 sorgenti
• 13 serbatoi
• 43 km di condotte di adduzione
• 109 km di condotte di
distribuzione
• 2600 valvole
• 1825 nodi di distribuzione
• 12 fontane
• 241 idranti
Alcuni esempi
Distrettualizzazione
WSS di Levico
35
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Scuola di Alta Formazione
S. Giuliana
Barco
Vetriolo
Agosto 2019
1187 nodi
10 sorgenti
12 serbatoi
4020 utenze fatturate
Alcuni esempi
Distrettualizzazione
WSS di Levico
36
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Scuola di Alta Formazione
Misuratore Media Minimo Massimo
701 VETRIOLO [l/s] 0,02 -0,66 9,32
702 VETRIOLO [l/s] 2,51 0,00 3,32
702 VVGUIZZA [l/s] 5,18 0,00 34,44
703 GUIZZAALTO [l/s] 11,95 0,00 32,77
704 GUIZZAALTO [l/s] 3,57 0,00 36,07
705 CASTAGNETO [l/s] 3,92 0,00 10,54
706 GUIZZABASSO [l/s] 3,83 -8,82 21,46
707 GUIZZABASSO [l/s] 7,62 -4,02 614,63
708 SANTAGIULIANA [l/s] 2,91 0,00 6,32
709 SANTAGIULIANA [l/s] 9,90 -1˙236,30 377,17
710 QUAERE [l/s] 0,51 -1,09 6,54
711 QUISISANA [l/s] 2,76 -43,82 193,46
712 CAMPIELLO [l/s] 0,53 -10,63 5,23
713 BARCOALTAUSCITA [l/s] 5,99 -20,96 20,56
714 BARCOALTA [m] 1,91 -0,03 2,12
715 SORGVENA [l/s] 4,94 0,00 8,01
716 SORGTAMAZZO [l/s] 2,67 0,96 8,97
717 STECE [l/s] 0,07 -2,50 3,79
718 SORGSTECE [l/s] 3,11 0,00 10,00
719 BARCOBASSA [l/s] 3,29 0,00 22,99
720 VEZZENA [l/s] 0,34 -0,65 148,79
802 VVQUISISANA [l/s] 18,10 0,00 85,56
Misuratori non
funzionanti
Alcuni esempi Distrettualizzazione
WSS di Levico
37
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Scuola di Alta Formazione
Analisi dei dati
Non è stato possibile chiudere il bilancio
idrico per i seguenti motivi:
• Periodo di misurazione inferiore ad un anno (a fronte di
fatturazioni medie annuali)
• Troppo pieno ai serbatoi non monitorati
• Alcuni misuratori non funzionanti
• Pompe con dati di prevalenza ma non di portata
Alcuni esempi
Distrettualizzazione
WSS di Levico
38
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Modellazione della domanda idrica
Geolocalizzando la totalità delle
utenze idriche nella rete è stata
effettuata una migliore stima delle
richieste idriche nei nodi della rete
analisi di prossimità
Alcuni esempi Distrettualizzazione
WSS di Levico
39
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Implementazione dei distretti esistenti
In base agli elaborati ricevuti è stata
implementata la distrettualizzazione presente
allo stato di fatto.
A comparison between different techniques for water network sectorization. Di
Nardo et al. 2014 Water Science & Technology Water Supply
Tuttavia data la mole di valvole presenti (2600
valvole) in rete e l’assenza di un registro sullo
stato delle stesse, risulta difficile delineare i
distretti in maniera affidabile
Alcuni esempi
Distrettualizzazione
WSS di Levico
40
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
Alcuni esempi
Distrettualizzazione
WSS di Levico
Implementazione dei distretti esistenti
41
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Distrettualizzazione alternativa
A comparison between different techniques for water network sectorization. Di
Nardo et al. 2014 Water Science & Technology Water Supply
Ipotesi di:
- pompare ai serbatoio invece che in rete, laddove possibile
- distretti regolati da un solo serbatoio (e.g. S. Giuliana
distretto).
- Distretti con «baricentro» un serbatoio
Alcuni esempi
Distrettualizzazione
WSS di Levico
42
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Le pressioni in rete – dopo gli interventi
Alcuni esempi
Distrettualizzazione
WSS di Levico
43
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
WSS di Laives (BZ)
Alcuni esempi
Riduzione perdite e Distrettualizzazione
44
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
• 18000 abitanti serviti
•1700 allacciamenti privati
•Lunghezza di rete ≈ 50 km
•3 distretti: -San Giacomo -Pineta -Laives
•Mappa georeferenziata con informazioni sui diametri
WSS di Laives (BZ)
Riduzione perdite e Distrettualizzazione
Alcuni esempi
La rete di distribuzione
45
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
• Rilevamento :
-diametri
- materiali
-date di posa
• Zona di Laives
-tubi più vecchi per lo più in ferro
-interconnessioni a maglia in ghisa
• Zone terminali
-tubi in materiale plastico
Problema delle correnti vaganti dopo la difesa catodica
della rete gas
WSS di Laives (BZ)
Riduzione perdite e Distrettualizzazione
Alcuni esempi
46
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
Assegnazione della domanda idrica
• Volume fatturato annuo per via e per le singole industrie
• Flow distribution + point demand assignment
- point demand per singole industrie
- domanda di base per area di competenza
• Domanda di base:
- consumo singola via
- consumi non fatturati: edifici pubblici irrigazione
• Classi di aree con pattern diversi
WSS di Laives (BZ)
Riduzione perdite e Distrettualizzazione
Alcuni esempi
47
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
Assegnazione della domanda idrica
WSS di Laives (BZ)
Riduzione perdite e Distrettualizzazione
Alcuni esempi
48
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
•Scopo: ricavare un dataset per calibrare e validare il modello
• Misure di pressione in vari punti della rete
misure di pressione per la calibrazione di scabrezze e perdite
(Battle of the water calibration networks. Journal of Water Resources Planning and Management,
ASCE, 2012.)
• Misuratori di pressione Keller PA -33X
rilevano la pressione assoluta in un range compreso tra i 0÷20 bar con una
precisione di 0.01% FS (fullscale).
Campagna di misurazioni in campo
WSS di Laives (BZ)
Riduzione perdite e Distrettualizzazione
Alcuni esempi
49
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
Scelta della scabrezza effettiva in fase di calibrazione modello
• Assegnazione della scabrezza equivalente 𝜖 [mm] per determinare la perdita di carico tramite Darcy-
Weissbach
• Tubi in servizio da tanti anni cambiano il loro 𝜖:
- deposito
- corrosione
• Prima calibrazione preliminare
• Indice di Langelier L.I. ≈ 0.28
→ acqua supersatura con carbonato di calcio e lievi incrostazioni possono occorrere
WSS di Laives (BZ)
Riduzione perdite e Distrettualizzazione
Alcuni esempi
50
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
• …….
• Prima calibrazione preliminare
• Indice di Langelier L.I. ≈ 0.28
→ acqua supersatura con carbonato di calcio e lievi incrostazioni possono occorrere
• Scelta dei valori di 𝜀:
- ghisa (posata prima del 1996) → 𝜀 = 1.1 mm
- ghisa (posata dopo del 1996) → 𝜀 = 0.4 mm
(Saint Gobain PAM. Water Supply and Distribution 2010)
- PVC (posati nel 1981) → 𝜀 = 0.2 mm (esperienza del gestore)
- ferro non rivestito (posati prima del 1975) → 𝜀 = 14.43 mm
- ferro non rivestito (posati dopo del 1975) → 𝜀 = 10.17 mm
Calcolo del valore di 𝜖 per il singolo tubo in base alla sua età in funzione della corrosività dell’acqua
espressa dall’indice di Langelier (Colebrooke and White 1937)
WSS di Laives (BZ)
Riduzione perdite e Distrettualizzazione
Alcuni esempi
Scelta della scabrezza effettiva in fase di calibrazione modello
51
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Scuola di Alta Formazione
WSS di Laives (BZ)
Riduzione perdite e Distrettualizzazione I risultati della calibrazione
52
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Riduzione di pressione di
circa 30m
• Simulazione su 120h
- acqua risparmiata: 11169 𝑚3/𝑦𝑟 ≈
0.7 % dell‘acqua immessa
- riduzione complessivo
utilizzazione pompe:
• risparmio annuo:
16.599,4€
Countour plot per le ore 0:00, quando
le pressioni sono massime
WSS di Laives (BZ)
Riduzione perdite e Distrettualizzazione I risultati della distrettualizzaz.
53
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
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Scuola di Alta Formazione
Control point PRD
PRD
WSS di Ora-Egna-Bronzoll (BZ)
Water-Energy Nexus ottimizzazione
Alcuni esempi
Minimizzare le pressioni
 Riduzione Perdite idriche e bursts
 Recupero energetico
54
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Scuola di Alta Formazione
Pressure Regulation Device (PRD)
Control point PRD
PRD
Pressure
Length
Regulated
Control point
Pump-as-Turbine
Pressure Regulation Device
+
1 o piu punti di controllo pressione in rete (CP)
WSS di Ora-Egna-Bronzoll (BZ)
Minimizzare le pressioni
Water-Energy Nexus ottimizzazione
Alcuni esempi
55
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2
Caratteristiche del sistema
 Tipico acquedotto montano:
- Forti variazioni di quota lungo la rete
- Forti perdite idriche: ~ 50%
 5250 abitanti serviti
 28 km di tubazioni con diametri 50-150 mm
 2 serbatoi principali in quota
 2 impianti di pompaggio
 2 potenziali valvole regolatrici di pressione (PRD)
WSS di Ora-Egna-Bronzoll
(BZ)
Water-Energy Nexus ottimizzazione
Alcuni esempi
56
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
- Esistente: no pressure regulation
- Dynamic40: controllo dinamico della pressione con
regolazione provinciale (min. 40 m)
- Dynamic25: controllo dinamico della pressione secondo
le «migliori» pratiche (min. 25 m)
- Static40: regolazione della pressione statica con
regolazione provinciale (min. 40 m)
- Static25: regolazione della pressione statica secondo la
migliore pratica (min. 25 m)
Digital twin model
Dynamic control strategy
PaT optimal design
Design Ottimale della
gestione delle pressioni
A. Menapace et al. (2020)
M.K. Kostner et al. (2023)
M. Renzi et al (2019), M. Rossi et al. (2019)
Analisi di diversi scenari
WSS di Ora-Egna-Bronzoll
(BZ)
Water-Energy Nexus ottimizzazione-METODOLOGIA
Alcuni esempi
57
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Existing
Existing WDN Benchmarks
Proposed methodology
Dynamic40 Dynamic25
WSS di Ora-Egna-Bronzoll
(BZ)
Water-Energy Nexus OTTIMIZZAZIONE
CONTROLLO PRESSIONI
58
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Leakage loss reduction
WSS di Ora-Egna-Bronzoll
(BZ)
Riduzione delle Perdite-
Sustainable Goal
Water-Energy Nexus ottimizzazione
Alcuni esempi
Existing WDN Benchmarks
Proposed methodology
59
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Produzione
Elettrica
Potenza elettrica delle due PaT per Dynamic25
Estate
(alta domanda)
Inverno
(bassa domanda)
WSS di Ora-Egna-Bronzoll
(BZ)
Water-Energy Nexus ottimizzazione
Alcuni esempi
60
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Bilancio Energetico
Obiettivo
Efficienza Energetica
Bilancio Energetico su base annua
Existing WDN Benchmarks
Proposed methodology
WSS di Ora-Egna-Bronzoll
(BZ)
Water-Energy Nexus ottimizzazione
Alcuni esempi
61
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Conclusioni 1/2
 Oggi l’industria idrica è in difficoltà a causa del cambiamento climatico e della crisi
energetica, oltre al suo attuale grave stato di decadimento infrastrutturale.
Final Remarks
62
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Conclusioni 1/2
 La digitalizzazione del settore idrico è essenziale per implementare futuri sistemi idrici
intelligenti e sostenere la transizione energetica.
Final Remarks
63
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Conclusioni 1/2
 La digitalizzazione pone le basi per una vasta gamma di strumenti e dispositivi basati
sull’intelligenza artificiale, ad es. sistemi di gestione integrati, modelli di gemello digitale,
controlli operativi in tempo reale e algoritmi di rilevamento delle anomalie.
Final Remarks
64
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Conclusioni 1/2
 L’ottimizzazione del nesso acqua-energia è fondamentale per una progettazione e
gestione del WSS sostenibile, efficiente e resiliente.
 I WSS (montani locali) devono progredire nella digitalizzazione per affrontare
adeguatamente le sfide attuali, come la limitazione delle perdite idriche, il recupero
energetico e la pianificazione della ristrutturazione.
Final Remarks
65
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Conclusioni 1/2
 Oggi l’industria idrica è in difficoltà a causa del cambiamento climatico e della crisi
energetica, oltre al suo attuale grave stato di decadimento infrastrutturale.
 La digitalizzazione del settore idrico è essenziale per implementare futuri sistemi idrici
intelligenti e sostenere la transizione energetica.
 La digitalizzazione pone le basi per una vasta gamma di strumenti e dispositivi basati
sull’intelligenza artificiale, ad es. sistemi di gestione integrati, modelli di gemello digitale,
controlli operativi in tempo reale e algoritmi di rilevamento delle anomalie.
 L’ottimizzazione del nesso acqua-energia è fondamentale per una progettazione e
gestione del WSS sostenibile, efficiente e resiliente.
 I WSS montani locali devono progredire nella digitalizzazione per affrontare
adeguatamente le sfide attuali, come la limitazione delle perdite idriche, il recupero
energetico e la pianificazione della ristrutturazione.
Final Remarks
66
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Conclusioni 2/2
 Le tre azioni fondamentali per la digitalizzazione di successo dei sistemi idrici:
1) Camminare 2) Ascoltare 1) + 2) = Verificare (anche) di persona
67
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Conclusioni 2/2
 I tre fattori fondamentali per la digitalizzazione di successo dei sistemi idrici:
.. E solo «dopo»
3) Pensare a possibili soluzioni
68
Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche ....
Maurizio Righetti
Scuola di Alta Formazione
Grazie per l’attenzione

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Scuola di Alta Formazione 25/01-RIGHETTI Maurizio

  • 1. Sponsor dell’evento «Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche: soluzioni nuove a problemi vecchi» Prof. Ing. Maurizio Righetti Responsabile Laboratori Fluidodinamica Libera università di Bolzano – LUB maurizio.righetti@unibz.it Giovedì 25 Gennaio 2024| IREN, Reggio Emilia SCUOLA DI ALTA FORMAZIONE
  • 2. 2 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione L’Università di Bolzano e il gruppo di ricerca  Massimiliano Giorgio Bort  Massimiliano Renzi,  Andrea Menapace  Maurizio Tavelli,  Daniele Della Torre  Majid Niazkar,  Michael K. Kostner  Pranav Dhawan  Francesca Peretti,  Jacopo C. Alberizzi,  …  ...  ... Sede della Facoltà di Ingegneria e Parco Tecnologico NOI Techpark https://noi.bz.it/en
  • 3. 3 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione L’Università di Bolzano e il gruppo di ricerca 2018 2020 2023 I Laboratori di Fluidodinamica nei quali è insediata l’ ”unità CFD e AI” dedicata all’Idraulica - Processi e Meccanica dei fluidi
  • 4. 4 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione L’Università di Bolzano e il gruppo di ricerca Alcune installazioni sperimentali Responsabile di laboratorio: Prof. Righetti Maurizio Ricercatori di ruolo: Prof. Larcher Michele e Prof. Massimiliano Renzi Ricercatori RTD-A: Pisaturo Giuseppe e Menapace Andrea Assegnisti: Prati Anna, Stradiotti Giulia, Majid Niazkar Dottoranti: 7 Ambiti di ricerca e consulenza: - Costruzioni idrauliche - Reti di distribuzione acque - Reti neurali - Modellazione numerica - Sicurezza idraulica - Idraulica fluviale - Meccanica dei fluidi - Macchine a fluido - Fluidi complessi e granulari
  • 5. 5 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da dove siamo partiti con l’acquedottstica Vincenzo Stefano Breda nasce a Limena (PD) il 30 aprile 1825. Nel 1849, a24 anni, progetta la linea ferroviaria Venezia - Padova; negli anni seguenti progetta e costruisce le tratte ferroviarie Padova - Vicenza, Vicenza - Verona, Verona - Brescia. Nel 1872 fu tra i fondatori della società Veneta costruzioni pubbliche, di cui assunse la guida; nel 1884 fu tra coloro che promossero le Acciaierie di Terni. cinque volte deputato e poi senatore Lasciò un profondo segno nella storia dello sviluppo economico e sociale dell'Italia contemporanea Nel 1886  nuovo acquedotto di Padova Rwanda
  • 6. 6 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da dove siamo partiti: Rwanda 2003-2010 Il paese delle 1000 colline
  • 7. 7 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2010
  • 8. 8 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006 T • Le sorgenti sono localizzate a mezza costa, • le persone vivono sui crinali, per evitare problemi di malaria. • Serve quindi un sistema per sollevare l’acqua in modo continuativo ed a basso costo Adduzione e sollevamento • Sorgente • Filtro a travertino T Traversa Stazione di sollevamento (turbina e pompa) Rete di distribuzione • Serbatoi • Condotte • Fontane
  • 9. 9 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006 Le mappe di supporto: ultima copia cartacea (colonia Belga) al MINAGRI-Ministry of Agriculture and Animal Resources a Kigali
  • 10. 10 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006 La digitalizzazione e QGIS
  • 11. 11 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006 INQUADRAMENTO DELL’AREA DI PROGETTO LUOGO: GIHEMBE REFUGEE CAMP E VILLAGGI LIMITROFI, DISTRETTO DI GICUMBI, PROVINCIA SETTENTRIONALE PROGETTAZIONE: SECONDO CRITERI DI SOSTENIBILITA’, già verificati in precedenti interventi POPOLAZIONE INTERESSATA: 29˙820 ABITANTI
  • 12. 12 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006
  • 13. 13 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006
  • 14. 14 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da dove siamo partiti Rwanda 2003-2006
  • 15. 15 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Il territorio montano PAESAGGIO RWANDESE PAESE in TRENTINO ALTO ADIGE
  • 16. 16 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Da Q-GIS a Q-EPANET La digitalizzazione e QGIS Q-Epanet Open Source, più di 40.000 downloads
  • 17. 17 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Verso la digitalizzazione TRANSIZIONE DIGITALE significa  revisione dei processi, utilizzando prodotti e fornendo servizi basati su tecnologie digitali (hardware) e strategie digitali (software), per aumentare l’efficienza dei sistemi (acquedotti). La DIGITALIZZAZIONE • interessa vari aspetti dei sistemi acquedottistici, dall’utilizzo del gemello digitale per la modellizzazione e per il monitoraggio, ai sensori e misuratori smart, utili per la calibrazione del modello e la rendicontazione dei volumi consumati dall’utenza. • volta a supportare i processi decisionali e le attività tecniche per efficientare il servizio La raccolta e la valutazione più semplice, accessibile e rappresentativa dei dati relativi ai processi costituisce la base di conoscenza per fornire informazioni utili all’efficienza. “Digital Transition, Digital Twin and Digital Water: History, Concepts and Overview for the application to Aqueducts”, Journal Digital Water, 2024
  • 18. 18 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione VANTAGGI DELLA DIGITALIZZAZIONE: • ottimizzazione della gestione idraulica delle reti. • aumento dell’efficienza operativa, • migliore qualità dei dati raccolti e tempestiva individuazione dei guasti e la riduzione delle perdite. Nella transizione digitale, l’implementazione di prodotti e sistemi di monitoraggio basati sulle tecnologie digitali, è funzionale alla acquisizione di informazioni che, opportunamente analizzate e interpretate, consentono di raggiungere l’efficienza dei processi. Nei sistemi idrici, raggiungere l’efficienza implica supportare le decisioni relative alle attività tecniche, all’informazione e alla formazione del capitale umano. Questo inevitabilmente può implicare la riorganizzazione delle società idriche. Verso la digitalizzazione
  • 19. 19 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione La digitalizzazione e QGIS DATI • Collezione di informazioni da vari archivi (e.g. Comune, storico, misuratori,..) • Verifica consistenza dati • Integrazione e aggiornamento MODELLAZIONE • Verifica consistenza layout rete • Modellazione idraulica dell’acquedotto • Calibrazione del modello ANALISI STATO DI FATTO • Studio del funzionamento del sistema • Analisi delle criticità • Bilancio idrico PIANIFICAZIONE • Analisi priorità di interventi • Pianificazione ottimale costi/benefici per rinnovamento ed adeguamento tecnologico SOLUZIONE • Soluzione ottimale della specifica fase pianificata grazie a metodologia avanzate di modellazione, ottimizzazione ed AI PROGETTAZIONE E GESTIONE • Progettazione interventi • Gestionale per minimizzare i costi e le perdite idriche ed ottimizzare gestione e manutenzione Sistema GIS open source come supporto per:
  • 20. 20 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione La digitalizzazione: in pratica (secondo noi) Tanks measured flow rates in 2021 INFORMAZIONE Data collection Rilievo georeferen-ziato del Sistema fisico Dati da sensori Informazioni “storico” DATA ANLYSIS Pre-processing Caratterizzazio ne Domanda Idrica Stima Perdite idriche Analisi in campo DIGITAL TWIN Costruzione modello idraulico Implementazione componenti e regole funziona- mento Model calibration RISULTATI Quadro del sistema di gestione integrato Strumenti: generazione di dati, ottimizzatore, previsione ML e rilevamento di anomalie, pianificatore,... Water demand characterisation Hydraulic modelling with QEPANET Extended period hydraulic simulation)
  • 21. 21 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi Localizzazione perdite Metodi hardware-based metodi acustici, correlatori, transitori di pressione …. Metodi data-driven Metodi model-based confronto dei valori misurati di pressioni-portate in nodi significativi con i valori calcolati dal modello “Review of leakage detection in water distribution networks” Negm, XiandongMa, Aggidis, 2023
  • 22. 22 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi Necessita di: • modello idraulico della rete • Calibrazione • Scelta appropriata dei nodi da monitorare • Basato su confronto dati simulati con modello-dati misurati Localizzazione perdite Metodi hardware-based metodi acustici correlatori Metodi data-driven Metodi model-based confronto dei valori misurati di pressioni-portate in nodi significativi con i valori calcolati dal modello
  • 23. 23 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi Localizzazione perdite Metodi model-based confronto dei valori misurati di pressioni-portate in nodi significativi con i valori calcolati dal modello • Necessita di modello idraulico della rete • Calibrazione • Scelta appropriata dei nodi da monitorare • Basato su confronto dati simulati con modello-dati misurati Calibrazione Non appena il modello è completato, è necessario convalidarlo attraverso diverse tecniche per garantire che il modello segua l'esempio della vita reale. Le tecniche di calibrazione utilizzate sono la simulazione dello stato stazionario e del periodo esteso (EPS) e le confrontano con i dati sul campo
  • 24. 24 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi Localizzazione perdite Metodi model-based confronto dei valori misurati di pressioni-portate in nodi significativi con i valori calcolati dal modello Scelta appropriata dei nodi da monitorare È fondamentale sapere quali punti della rete sono i più rappresentativi al fine di installarvi i sensori. Lo scopo è sia massimizzare la sensibilità dei misuratori di pressione rispetto alle perdite, sia fornire misure non correlate. Questi due requisiti sono soddisfatti da un'analisi di sensibilità e da una successiva analisi di correlazione del WDS. Una volta inseriti i sensori in campo, si confrontano i dati misurati ai sensori con i risultati ai sensori ottenuti dalla simulazione idraulica “Optimal Selection and Monitoring of Nodes Aimed at Supporting Leakages Identification in WDS”, Righetti, Giorgiobort, … , 2019
  • 25. 25 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi 2 WSS di Egna-Neumarkt Caratteristiche del sistema  Tipico acquedotto montano: - Forti variazioni di quota lungo la rete - Forti perdite idriche: ~ 50%  5250 abitanti serviti  28 km di tubazioni con diametri 50-150 mm  2 serbatoi principali in quota  2 impianti di pompaggio  2 potenziali valvole regolatrici di pressione (PRD) Localizzazione perdite
  • 26. 26 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi Localizzazione perdite inseriti i sensori in campo Calibrata la rete WSS di Egna-Neumarkt
  • 27. 27 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi Localizzazione perdite inseriti i sensori in campo Calibrata la rete Individuata una zona di perdite WSS di Egna-Neumarkt
  • 28. 28 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi Calibrazione rete il diametro e le condizioni reali delle tubazioni possono essere incognite. Confronto tra misure e simulazioni idrauliche per la calibrazione della portata (domanda idrica+perdite) e dei diametri delle tubazioni Esempio di confronto tra portate misurate e calibrate WSS di Egna-Neumarkt
  • 29. 29 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi Calibrazione rete Esempio di confronto tra portate misurate e calibrate il diametro e le condizioni reali delle tubazioni possono essere incognite. Confronto tra misure e simulazioni idrauliche per la calibrazione della portata (domanda idrica+perdite) e dei diametri delle tubazioni WSS di Egna-Neumarkt
  • 30. 30 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Osservazione sulla simulazione idraulica • Si possono avere inversioni di flusso nel tronco • Le perdite dipendono dalla pressione Non tutti i simulatori idraulici van bene Bisogna scegliere un APPROPRIATO simulatore idraulico Demand driven vs. Pressure driven
  • 31. 31 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Hydraulic models: a) NDD nodal demand driven [Todini & Pilati, 1988] b) NPD nodal pressure driven [Siew] c) DDD distributed demand driven [Menapace et al., 2018a] d) DPD distributed pressure driven [Menapace et al., 2019] Osservazione sulla simulazione idraulica “Pressure Flow-Based Algorithms for Pressure-Driven Analysis of Water Distribution Networks”, Todini, Santopietro, Gargano, Rossman (2021).. Journal of Water Res. Planning and Manag., 2021 “Application of Distributed Pressure Driven Modelling in Water Supply System”. 2018 Menapace, Righetti, Avesani WDSA/CCWI joint conference proceedings “Uniformly distributed demand EPANET extension”. 2019 Menapace, Avesani, Righetti, Bellin, Pisaturo. Water resources management
  • 32. 32 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione • Comune trentino 8500 ab (raddoppiano di estate) • Orografia montana dislivelli di piu di 100 m WSS di Levico (TN) Alcuni esempi Distrettualizzazione
  • 33. 33 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi Diverse frazioni «quasi isolate» ed a quote diverse Vetriolo Levico Alta Castagneto Barco S. Giuliana Distrettualizzazione WSS di Levico
  • 34. 34 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione • 22 sorgenti • 13 serbatoi • 43 km di condotte di adduzione • 109 km di condotte di distribuzione • 2600 valvole • 1825 nodi di distribuzione • 12 fontane • 241 idranti Alcuni esempi Distrettualizzazione WSS di Levico
  • 35. 35 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione S. Giuliana Barco Vetriolo Agosto 2019 1187 nodi 10 sorgenti 12 serbatoi 4020 utenze fatturate Alcuni esempi Distrettualizzazione WSS di Levico
  • 36. 36 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Misuratore Media Minimo Massimo 701 VETRIOLO [l/s] 0,02 -0,66 9,32 702 VETRIOLO [l/s] 2,51 0,00 3,32 702 VVGUIZZA [l/s] 5,18 0,00 34,44 703 GUIZZAALTO [l/s] 11,95 0,00 32,77 704 GUIZZAALTO [l/s] 3,57 0,00 36,07 705 CASTAGNETO [l/s] 3,92 0,00 10,54 706 GUIZZABASSO [l/s] 3,83 -8,82 21,46 707 GUIZZABASSO [l/s] 7,62 -4,02 614,63 708 SANTAGIULIANA [l/s] 2,91 0,00 6,32 709 SANTAGIULIANA [l/s] 9,90 -1˙236,30 377,17 710 QUAERE [l/s] 0,51 -1,09 6,54 711 QUISISANA [l/s] 2,76 -43,82 193,46 712 CAMPIELLO [l/s] 0,53 -10,63 5,23 713 BARCOALTAUSCITA [l/s] 5,99 -20,96 20,56 714 BARCOALTA [m] 1,91 -0,03 2,12 715 SORGVENA [l/s] 4,94 0,00 8,01 716 SORGTAMAZZO [l/s] 2,67 0,96 8,97 717 STECE [l/s] 0,07 -2,50 3,79 718 SORGSTECE [l/s] 3,11 0,00 10,00 719 BARCOBASSA [l/s] 3,29 0,00 22,99 720 VEZZENA [l/s] 0,34 -0,65 148,79 802 VVQUISISANA [l/s] 18,10 0,00 85,56 Misuratori non funzionanti Alcuni esempi Distrettualizzazione WSS di Levico
  • 37. 37 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Analisi dei dati Non è stato possibile chiudere il bilancio idrico per i seguenti motivi: • Periodo di misurazione inferiore ad un anno (a fronte di fatturazioni medie annuali) • Troppo pieno ai serbatoi non monitorati • Alcuni misuratori non funzionanti • Pompe con dati di prevalenza ma non di portata Alcuni esempi Distrettualizzazione WSS di Levico
  • 38. 38 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Modellazione della domanda idrica Geolocalizzando la totalità delle utenze idriche nella rete è stata effettuata una migliore stima delle richieste idriche nei nodi della rete analisi di prossimità Alcuni esempi Distrettualizzazione WSS di Levico
  • 39. 39 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Implementazione dei distretti esistenti In base agli elaborati ricevuti è stata implementata la distrettualizzazione presente allo stato di fatto. A comparison between different techniques for water network sectorization. Di Nardo et al. 2014 Water Science & Technology Water Supply Tuttavia data la mole di valvole presenti (2600 valvole) in rete e l’assenza di un registro sullo stato delle stesse, risulta difficile delineare i distretti in maniera affidabile Alcuni esempi Distrettualizzazione WSS di Levico
  • 40. 40 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Alcuni esempi Distrettualizzazione WSS di Levico Implementazione dei distretti esistenti
  • 41. 41 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Distrettualizzazione alternativa A comparison between different techniques for water network sectorization. Di Nardo et al. 2014 Water Science & Technology Water Supply Ipotesi di: - pompare ai serbatoio invece che in rete, laddove possibile - distretti regolati da un solo serbatoio (e.g. S. Giuliana distretto). - Distretti con «baricentro» un serbatoio Alcuni esempi Distrettualizzazione WSS di Levico
  • 42. 42 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Le pressioni in rete – dopo gli interventi Alcuni esempi Distrettualizzazione WSS di Levico
  • 43. 43 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione WSS di Laives (BZ) Alcuni esempi Riduzione perdite e Distrettualizzazione
  • 44. 44 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione • 18000 abitanti serviti •1700 allacciamenti privati •Lunghezza di rete ≈ 50 km •3 distretti: -San Giacomo -Pineta -Laives •Mappa georeferenziata con informazioni sui diametri WSS di Laives (BZ) Riduzione perdite e Distrettualizzazione Alcuni esempi La rete di distribuzione
  • 45. 45 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione • Rilevamento : -diametri - materiali -date di posa • Zona di Laives -tubi più vecchi per lo più in ferro -interconnessioni a maglia in ghisa • Zone terminali -tubi in materiale plastico Problema delle correnti vaganti dopo la difesa catodica della rete gas WSS di Laives (BZ) Riduzione perdite e Distrettualizzazione Alcuni esempi
  • 46. 46 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Assegnazione della domanda idrica • Volume fatturato annuo per via e per le singole industrie • Flow distribution + point demand assignment - point demand per singole industrie - domanda di base per area di competenza • Domanda di base: - consumo singola via - consumi non fatturati: edifici pubblici irrigazione • Classi di aree con pattern diversi WSS di Laives (BZ) Riduzione perdite e Distrettualizzazione Alcuni esempi
  • 47. 47 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Assegnazione della domanda idrica WSS di Laives (BZ) Riduzione perdite e Distrettualizzazione Alcuni esempi
  • 48. 48 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione •Scopo: ricavare un dataset per calibrare e validare il modello • Misure di pressione in vari punti della rete misure di pressione per la calibrazione di scabrezze e perdite (Battle of the water calibration networks. Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 2012.) • Misuratori di pressione Keller PA -33X rilevano la pressione assoluta in un range compreso tra i 0÷20 bar con una precisione di 0.01% FS (fullscale). Campagna di misurazioni in campo WSS di Laives (BZ) Riduzione perdite e Distrettualizzazione Alcuni esempi
  • 49. 49 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Scelta della scabrezza effettiva in fase di calibrazione modello • Assegnazione della scabrezza equivalente 𝜖 [mm] per determinare la perdita di carico tramite Darcy- Weissbach • Tubi in servizio da tanti anni cambiano il loro 𝜖: - deposito - corrosione • Prima calibrazione preliminare • Indice di Langelier L.I. ≈ 0.28 → acqua supersatura con carbonato di calcio e lievi incrostazioni possono occorrere WSS di Laives (BZ) Riduzione perdite e Distrettualizzazione Alcuni esempi
  • 50. 50 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione • ……. • Prima calibrazione preliminare • Indice di Langelier L.I. ≈ 0.28 → acqua supersatura con carbonato di calcio e lievi incrostazioni possono occorrere • Scelta dei valori di 𝜀: - ghisa (posata prima del 1996) → 𝜀 = 1.1 mm - ghisa (posata dopo del 1996) → 𝜀 = 0.4 mm (Saint Gobain PAM. Water Supply and Distribution 2010) - PVC (posati nel 1981) → 𝜀 = 0.2 mm (esperienza del gestore) - ferro non rivestito (posati prima del 1975) → 𝜀 = 14.43 mm - ferro non rivestito (posati dopo del 1975) → 𝜀 = 10.17 mm Calcolo del valore di 𝜖 per il singolo tubo in base alla sua età in funzione della corrosività dell’acqua espressa dall’indice di Langelier (Colebrooke and White 1937) WSS di Laives (BZ) Riduzione perdite e Distrettualizzazione Alcuni esempi Scelta della scabrezza effettiva in fase di calibrazione modello
  • 51. 51 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione WSS di Laives (BZ) Riduzione perdite e Distrettualizzazione I risultati della calibrazione
  • 52. 52 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Riduzione di pressione di circa 30m • Simulazione su 120h - acqua risparmiata: 11169 𝑚3/𝑦𝑟 ≈ 0.7 % dell‘acqua immessa - riduzione complessivo utilizzazione pompe: • risparmio annuo: 16.599,4€ Countour plot per le ore 0:00, quando le pressioni sono massime WSS di Laives (BZ) Riduzione perdite e Distrettualizzazione I risultati della distrettualizzaz.
  • 53. 53 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Control point PRD PRD WSS di Ora-Egna-Bronzoll (BZ) Water-Energy Nexus ottimizzazione Alcuni esempi Minimizzare le pressioni  Riduzione Perdite idriche e bursts  Recupero energetico
  • 54. 54 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Pressure Regulation Device (PRD) Control point PRD PRD Pressure Length Regulated Control point Pump-as-Turbine Pressure Regulation Device + 1 o piu punti di controllo pressione in rete (CP) WSS di Ora-Egna-Bronzoll (BZ) Minimizzare le pressioni Water-Energy Nexus ottimizzazione Alcuni esempi
  • 55. 55 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione 2 Caratteristiche del sistema  Tipico acquedotto montano: - Forti variazioni di quota lungo la rete - Forti perdite idriche: ~ 50%  5250 abitanti serviti  28 km di tubazioni con diametri 50-150 mm  2 serbatoi principali in quota  2 impianti di pompaggio  2 potenziali valvole regolatrici di pressione (PRD) WSS di Ora-Egna-Bronzoll (BZ) Water-Energy Nexus ottimizzazione Alcuni esempi
  • 56. 56 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione - Esistente: no pressure regulation - Dynamic40: controllo dinamico della pressione con regolazione provinciale (min. 40 m) - Dynamic25: controllo dinamico della pressione secondo le «migliori» pratiche (min. 25 m) - Static40: regolazione della pressione statica con regolazione provinciale (min. 40 m) - Static25: regolazione della pressione statica secondo la migliore pratica (min. 25 m) Digital twin model Dynamic control strategy PaT optimal design Design Ottimale della gestione delle pressioni A. Menapace et al. (2020) M.K. Kostner et al. (2023) M. Renzi et al (2019), M. Rossi et al. (2019) Analisi di diversi scenari WSS di Ora-Egna-Bronzoll (BZ) Water-Energy Nexus ottimizzazione-METODOLOGIA Alcuni esempi
  • 57. 57 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Existing Existing WDN Benchmarks Proposed methodology Dynamic40 Dynamic25 WSS di Ora-Egna-Bronzoll (BZ) Water-Energy Nexus OTTIMIZZAZIONE CONTROLLO PRESSIONI
  • 58. 58 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Leakage loss reduction WSS di Ora-Egna-Bronzoll (BZ) Riduzione delle Perdite- Sustainable Goal Water-Energy Nexus ottimizzazione Alcuni esempi Existing WDN Benchmarks Proposed methodology
  • 59. 59 Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Produzione Elettrica Potenza elettrica delle due PaT per Dynamic25 Estate (alta domanda) Inverno (bassa domanda) WSS di Ora-Egna-Bronzoll (BZ) Water-Energy Nexus ottimizzazione Alcuni esempi
  • 60. 60 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Bilancio Energetico Obiettivo Efficienza Energetica Bilancio Energetico su base annua Existing WDN Benchmarks Proposed methodology WSS di Ora-Egna-Bronzoll (BZ) Water-Energy Nexus ottimizzazione Alcuni esempi
  • 61. 61 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Conclusioni 1/2  Oggi l’industria idrica è in difficoltà a causa del cambiamento climatico e della crisi energetica, oltre al suo attuale grave stato di decadimento infrastrutturale. Final Remarks
  • 62. 62 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Conclusioni 1/2  La digitalizzazione del settore idrico è essenziale per implementare futuri sistemi idrici intelligenti e sostenere la transizione energetica. Final Remarks
  • 63. 63 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Conclusioni 1/2  La digitalizzazione pone le basi per una vasta gamma di strumenti e dispositivi basati sull’intelligenza artificiale, ad es. sistemi di gestione integrati, modelli di gemello digitale, controlli operativi in tempo reale e algoritmi di rilevamento delle anomalie. Final Remarks
  • 64. 64 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Conclusioni 1/2  L’ottimizzazione del nesso acqua-energia è fondamentale per una progettazione e gestione del WSS sostenibile, efficiente e resiliente.  I WSS (montani locali) devono progredire nella digitalizzazione per affrontare adeguatamente le sfide attuali, come la limitazione delle perdite idriche, il recupero energetico e la pianificazione della ristrutturazione. Final Remarks
  • 65. 65 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Conclusioni 1/2  Oggi l’industria idrica è in difficoltà a causa del cambiamento climatico e della crisi energetica, oltre al suo attuale grave stato di decadimento infrastrutturale.  La digitalizzazione del settore idrico è essenziale per implementare futuri sistemi idrici intelligenti e sostenere la transizione energetica.  La digitalizzazione pone le basi per una vasta gamma di strumenti e dispositivi basati sull’intelligenza artificiale, ad es. sistemi di gestione integrati, modelli di gemello digitale, controlli operativi in tempo reale e algoritmi di rilevamento delle anomalie.  L’ottimizzazione del nesso acqua-energia è fondamentale per una progettazione e gestione del WSS sostenibile, efficiente e resiliente.  I WSS montani locali devono progredire nella digitalizzazione per affrontare adeguatamente le sfide attuali, come la limitazione delle perdite idriche, il recupero energetico e la pianificazione della ristrutturazione. Final Remarks
  • 66. 66 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Conclusioni 2/2  Le tre azioni fondamentali per la digitalizzazione di successo dei sistemi idrici: 1) Camminare 2) Ascoltare 1) + 2) = Verificare (anche) di persona
  • 67. 67 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Conclusioni 2/2  I tre fattori fondamentali per la digitalizzazione di successo dei sistemi idrici: .. E solo «dopo» 3) Pensare a possibili soluzioni
  • 68. 68 Gestione SMART (e non) delle reti acquedottistiche .... Maurizio Righetti Scuola di Alta Formazione Grazie per l’attenzione