Il controllo in tempo reale delle pressioni nelle reti di acquedotto ai fini della riduzione delle perdite idriche

Water losses today are the main problem in correct distribution networks management, causing severe economic, social and environmental imbalances, like rising prices for users, exacerbation of conditions of water deficit and worsening water supply environmental conditions. The containment of losses has been conducted, until now, by searching and repairing individual points of loss, that is an effective technique - especially for huge losses - but is characterized by extremely high costs in terms of specialized figures. On the contrary, nowadays, strategies for containing losses allow to obtain distributed results throughout the whole network. These strategies use the direct relationship between water losses and pressures in distribution networks to develop methodologies that allow obtaining a considerable saving of water in the whole network. The use of pressure reduction valves in distribution network specific points allows both big water leakage detection and background losses - that are very difficult to identify and significantly effective in the whole volume of lost water. Such measures are distinguished by cost-effectiveness and efficiency. Placement and optimal adjustment of pressure reduction valves have to be carefully taken into account. Various optimization methods can be used in pressure reduction valves placement and calibration to minimize network water losses, in compliance with minimum pressures condition. These optimization techniques require knowledge about distribution rules over time, spatial and temporal flow distribution and reservoirs water levels. In optimal pressure reduction valves adjustment real-time control techniques can be used. They can continuously and automatically set devices - only based on pressure measurements - guaranteeing desired values of piezometric load maintenance in network control nodes, varying the conditions of distribution. The real-time control techniques (RTC) use high technological specific solutions, based on the process characteristics that have to be controlled. It is necessary, therefore, to a priori plan the hardware and software components. The main step in an RTC system implementation is the choice of logical control units. The proportional logical units - characterized by intrinsic qualities of reliability and ease of use are appropriate for control of pressure reduction valves in water distribution networks. The logical units calibration, as a function of the characteristics of the system to be controlled, is necessary to ensure effective adjustment of the control process. Two calibration strategies for proportional logical unit calibration - as a function of the specific characteristics of the water system to be controlled - are proposed and tested in the present PhD Thesis. Both calibration strategies were applied to the control of a network well known in the literature. Hydraulic simulations have been done in one or more pressure reduction valves control. The obtained results show that both strategies allowed to calculate proportional parameter values for extremely effective valve adjustments - in achieving and maintaining the desired pressure at the control nodes in the distribution network. Finally, the comparison between the results obtained from a hydro-valve for stabilization of pressure on the downward flow and a real time controlled valve have been presented, and it show the reasons why the latter ones have to be preferred.

Le perdite idriche rappresentano oggi il principale problema da affrontare per una corretta gestione delle reti di acquedotto. Ingenti perdite provocano infatti, nei sistemi acquedottistici, forti squilibri in termini economici, sociali e ambientali. In passato il contenimento delle perdite veniva condotto tramite strategie puntuali, ovvero ricercando e riparando i singoli punti di perdita; tale approccio, sicuramente efficace soprattutto per le perdite ingenti, risulta caratterizzato da costi estremamente elevati. Alle tecniche tradizionali è possibile associare strategie di contenimento delle perdite che consentono di ottenere risultati distribuiti su tutta la rete. Sfruttando la relazione diretta esistente tra le perdite idriche e le pressioni di esercizio nelle reti di acquedotto, è possibile mettere a punto metodologie che consentono di ottenere un notevole risparmio idrico diffuso su tutta la rete, mediante l inserimento, in alcuni tratti, di apposite valvole di riduzione di pressione. Nelle tecniche di contenimento delle pressioni particolare attenzione va posta in merito al posizionamento ed alla regolazione ottimale delle valvole di riduzione della pressione. A tal fine sono stati utilizzati metodi di ottimizzazione, di varia natura, ed è stato mostrato come sia possibile determinare la posizione, ovvero il ramo di inserimento, e la taratura delle valvole di riduzione di pressione, tali da minimizzare le perdite idriche in rete, nel rispetto dei vincoli sulle pressioni minime di esercizio. Tali tecniche di ottimizzazione sono però basate sull ipotesi di conoscenza delle condizioni di erogazione del sistema nel tempo, ovvero della distribuzione spaziale e temporale delle portate ai nodi e delle variazioni dei livelli idrici nei serbatoi, condizione non soddisfatta nei sistemi idrici reali. Al fine di risolvere il problema della regolazione delle valvole di riduzione di pressione, è possibile adottare tecniche di controllo in tempo reale che consentano di settare i dispositivi in maniera continua e automatica, sulla base di sole misure di pressione, garantendo così, al variare delle condizioni di erogazione, il mantenimento dei valori desiderati del carico piezometrico nei nodi di controllo della rete. Le tecniche di controllo in tempo reale (RTC) prevedono l implementazione di soluzioni specifiche, dall alto contenuto tecnologico, in funzione delle caratteristiche del processo che si intende controllare; risulta necessaria, pertanto, una preventiva progettazione dei componenti hardware e software. Tra queste la scelta delle unità logiche di controllo costituisce il principale passo nell implementazione di un sistema di RTC. Le unità logiche proporzionali, grazie alle intrinseche qualità di affidabilità e di semplicità d uso, si prestano bene al controllo delle valvole di riduzione di pressione nelle reti di acquedotto. Per garantire regolazioni efficaci del processo di controllo, è necessaria una preventiva calibrazione delle unità logiche in funzione delle caratteristiche del sistema da controllare. Nella presente lavoro di tesi vengono proposte e testate due strategie di calibrazione che consentono di tarare il parametro dell unità logica proporzionale in funzione delle caratteristiche specifiche dalla rete idrica da controllare. Entrambe le strategie di calibrazione sono state applicate per il controllo di una rete ben nota in letteratura. I risultati hanno mostrato come entrambe le strategie abbiano consentito di calcolare valori del parametro proporzionale tali da restituire regolazioni della valvola estremamente efficaci in termini di raggiungimento e mantenimento della pressione desiderata ai nodi di controllo della rete. Infine viene mostrato il confronto tra i risultati ottenibili da un idro-valvola per la stabilizzazione della pressione di valle e una valvola controllata in tempo reale, mettendo cosi in luce le motivazioni per cui tale seconda ipotesi è da preferire.