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Decaying infrastructure in municipalities is becoming a problem of increasing importance as growing populations put increasing stress on all service systems. In tough economic times, renewing and maintaining infrastructure has become increasingly difficult. As an example, many municipal water networks were installed several decades ago and were designed to handle much smaller demand and additionally have decayed due to age. This chapter discusses an efficient approach for the problem of replacing all the pipes using the same network topology, at minimum cost, to achieve current pressure demands at junctions of the network.

There are numerous options for energy measures in the water sector ranging from water conservation and process efficiency improvements to new technologies and redesigning water systems. Next to energy efficiency improvements, there is a need for new concepts in which water is viewed as a carrier of energy. Municipal wastewater is a potential source of chemical energy, i.e. organic carbon that can be recovered as biogas in sludge digestion. Even more so, domestic (waste)water is a source of thermal energy. And in areas with altitude differences, installing micro-hydro technologies in water distribution systems can convert energy from the pressure and flow into electricity. This report presents intervention concepts for energy saving, recovery and generation from the urban water system. Summarised, the main outcomes of research undertaken at 9 case studies are: i) Algarve and Alcoy water supply system: by performing an energy audit, the most energy efficient operating scheme can be determined. ii) Oslo and Amsterdam water cycle: the thermal energy recovery potential from wastewater is large, and it is in particular feasible if coupled to aquifer thermal energy storage systems. iii) Schiphol and Athens wastewater treatment: the energy generation at wastewater treatment plants through biogas can be enhanced by co-digestion and thermophilic digestion. iv) Lanhirano, Athens and Algare water supply system: in a water distribution system, water and energy can be saved by integrating pressure and energy management., i.e. by installing micro-turbines.

La progettazione delle reti di distribuzione idrica è un problema complesso e di difficile risoluzione, anche nella formulazione più semplice in cui si consideri il solo rispetto del valore di pressione minima. Il lavoro presenta un confronto tra le migliori soluzioni ottenute applicando due algoritmi di tipo euristico ovvero l’algoritmo GHEST (Genetic Heritage Evolution by Stochastic Transmission) e l’algoritmo genetico multi-obiettivo NSGA-II. Nell’ottica di rapportarsi ad un caso reale, lo studio si è basato sulla rete di distribuzione idrica primaria di Modena. Gli algoritmi sono stati applicati a due diversi scenari, caratterizzati da vincoli di pressione più o meno stringenti, dal rispetto parziale a quello integrale del livello di servizio esistente nella rete reale. Le soluzioni ottime, in termini di distribuzione dei diametri e di costo, nonché i relativi valori di esercizio (pressioni e velocità) sono stati posti a confronto con quelli della rete attuale. Lo studio ha inoltre permesso un confronto in termini di prestazioni computazionali e di qualità dei risultati fra i tradizionali fronti di soluzioni non dominate ottenuti da NSGA-II e gli pseudo-fronti costruiti mediante GHEST.

L’introduzione dei sistemi di telelettura dei contatori, le cui prime applicazioni erano principalmente votate a scopi di fatturazione, si sono in seguito rivelate un utile strumento per l’analisi della domanda idrica a livello di dettaglio. La tecnologia consente di caratterizzare la domanda idrica svincolandosi dagli approcci top-down (bilancio idrico) o bottom-up (ricostruzione della domanda mediante tecniche stocastiche). Le letture sono infatti effettuate con scansioni temporali personalizzabili, la cui frequenza è in ogni caso largamente superiore al dato di consumo fornito (di norma semestralmente) dalla tradizionale lettura contatori. Applicazioni della telelettura sono note per la stima del livello di perdita in tempo reale (possibile in quanto i dati sono raccolti in modo sincrono), tuttavia in questo lavoro l’accento verrà posto sulla caratterizzazione della domanda delle singole utenze. L’obiettivo è quello di verificare se esistono delle differenze rilevanti nel consumo di acqua in relazione alle dimensioni e alle caratteristiche del nucleo familiare, nonché alla stagionalità Il consumo idrico preso in considerazione è quello relativo a un distretto della rete di distribuzione di Fano (PU), monitorato mediante telelettura. I dati coprono un lasso di tempo di quasi 5 anni, con diverse frequenze di campionamento, che hanno in ogni caso permesso di condurre l’analisi sia sui consumi medi giornalieri sia sui consumi idrici notturni.Particolare importanza è stata attribuita alla stima del consumo notturno degli utenti (Customer Night Use); concentrandosi in particolare su utenze condominiali, i cui maggiori valori di consumo notturno risultano meno affetti dagli errori di troncamento dei contatori.

La captazione e la distribuzione di acqua potabile richiedono elevati quantitativi di energia, che variano in relazione a diversi fattori legati alle caratteristiche strutturali della rete, alla presenza di perdite idriche ed alla tipologia di alimentazione. Gli indicatori classici, come l'intensità energetica, non sono in grado di descrivere completamente l’incidenza di ciascun fattore e non permettono un confronto tra l'energia effettivamente consumata da un sistema e quella strettamente necessaria al suo funzionamento. Nel lavoro viene presentata una metodologia per il calcolo del bilancio energetico di un sistema acquedottistico che, estendendo l'approccio proposto da Cabrera et al. (2010), consente di considerare anche l'efficienza dei pompaggi e di esplicitare le componenti che definiscono il legame acqua - energia per un sistema in pressione. Il bilancio energetico è quindi utilizzato per definire un indicatore di efficienza energetica del sistema acquedottistico WSEE (Water Supply Energy Efficiency). La sua scomposizione infine porta alla definizione di indicatori che consentono di valutare come concorrano all'efficienza energetica del sistema acquedottistico la struttura della rete (Network Energy Efficiency NEE), le perdite idriche (Leakage Energy Efficiency LEE) ed il funzionamento dei pompaggi (Pumping Energy Efficiency PEE). L'analisi energetica proposta è stata applicata a due casi di studio della rete di acquedotto di Modena.

The optimal design of water distribution networks is a complex problem even in its simplest formulation, where only the maintenance of a minimum pressure is required. This paper compares the best solutions obtained using different optimization algorithms: the BONMIN Branch and Bound algorithm, which directly tackles the MINLP (mixed integer non-linear programming) formulation, and two heuristic algorithms, i.e. GHEST (genetic heritage evolution by stochastic transmission) and an island parallel implementation of the multi-objective algorithm NSGA-II. In addition, the best solutions are compared with the actual diameter configuration of the network in terms of cost and of hydraulic behaviour. The three algorithms are applied to the hydraulic model of Modena water distribution network that takes into account the main pipes.

Il prelievo, la potabilizzazione e la distribuzione della risorsa idropotabile richiedono in generale elevati quantitativi di energia. L’analisi dell’energia necessaria al funzionamento dei sistemi acquedottistici è importante dal punto di vista ambientale, oltre che economico, in particolare in vista di azioni mirate al contenimento energetico. La complessità dei sistemi acquedottistici è superiore a quella di un normale processo industriale e può accadere che l’effetto di azioni volte ad aumentare la “watergy efficiency” del sistema acquedottistico, concetto che esprime il soddisfacimento della domanda dell’utenza con il minor impiego possibile di risorse idriche e di energia, sia mascherato dalla variazione di altri fattori e non correttamente colto dai classici indicatori di efficienza energetica. I fattori sono in parte oggettivi, quali la localizzazione della risorsa idrica, l’altimetria del terreno e la dislocazione delle utenze; in parte invece connessi a scelte progettuali e gestionali, alla struttura degli schemi idraulici, all’efficienza degli impianti di pompaggio, allo stato della rete e quindi, al livello delle perdite idriche.

The current arrangement of the water distribution systems, both at a national and at an international level, makes it necessary an evaluation of the different distribution networks. This has encouraged the development of different comparison techniques. Among them, an undoubtfully fundamental instrument is represented by the Performance Indicators (PI). The PIs can be defined as a quantitative measurement of a particular aspect of a company performance or service qualitative standard. Relatively to the issue of water supply system losses, the industry's literature offers various groups of consolidated and widely-applied indicators, though none of them may be considered to be completely exhaustive in both methodology and completeness. The analysis of the different groups of indicators suggests the need for an integration and homogenization of these groups, in order to identify a common methodology capable of finding and monitoring the different aspects of the problem. This process has underlined the necessity of identifying a procedure to organize the evaluation of the performance at different scales, and thus at different levels, according to the Observatories' strategies involved into the evaluation. In this paper, a bayesian model of evaluation is described and is applied to a district of the water distribution network of the Modena city.

The quest for a characterization of water distribution systems in relation to water losses has led to define a series of indicators aimed at identifying the most accurate measurement of the performance by mainly trying to respond to the following questions: how much do the water losses amount to? What is the economically sustainable water losses level? What are the controls which the regulator may impose and on the basis of what parameters? In this paper, we will discuss the performance indicators related to the water losses introduced by the International Water Association (IWA), by the Economic Regulator for the Water and Sewerage Industry in England and Wales (OFWAT), by the Italian legislation (Ministry's Decree n. 99/1997), and, finally, some indicators proposed by the French legislation and by the German guidelines. Each group of indicators here discussed can offer some advantages if compared to the other, but also some weaknesses; in particular, no group seems to respond in the most appropriate way to the regulator's, the provider's, the user's and the public opinion's expectations. The need for a homogenization of the different approaches is finally remarked. Though preserving the local needs and expectations, this process would allow to produce a coherent framework, even at different scales of interest, so as to avoid the impoverishment of the water resources.

The optimal design of water distribution networks is a complex problem even in its simplest formulation, where only the maintenance of a minimum pressure is required. This paper compares the best solutions obtained using different optimization algorithms: the BONMIN Branch and Bound algorithm, which directly tackles the MINLP (mixed integer non-linear programming) formulation, and two heuristic algorithms, i.e. GHEST (genetic heritage evolution by stochastic transmission) and an island parallel implementation of the multi-objective algorithm NSGA-II. In addition, the best solutions are compared with the actual diameter configuration of the network in terms of cost and of hydraulic behaviour. The three algorithms are applied to the hydraulic model of Modena water distribution network that takes into account the main pipes.

Nella redazione del bilancio idrico di particolare rilevanza è l’errata quantificazione dei volumi in uscita dalla rete attraverso i contatori presso le utenze. Nei contatori di utenza l’accuratezza della misura del volume rispetto alla portata viene mappata attraverso la curva di taratura propria di ogni contatore. L’errore commesso, dipende dalla classe di omologazione, dalla sua obsolescenza, dalla curva di errore, dalle sue dimensioni e dall’andamento del consumo. Si propone una valutazione dell’errore di registrazione basata sulla simulazione del consumo. Esso viene simulato a per una singola utenza e per confronto tra il valore letto e quello reale in ingresso al contatore si ottiene l’errore di registrazione. Le simulazioni effettuate evidenziano errori tra +6.5% e -20.7% e tra +8.7% e -19.1% con e senza perdite di sottofondo. L’estrapolazione dei risultati ottenuti alla rete richiede però ulteriori dati ed approfondimenti ma calcolare l’errore senza una corretta analisi potrebbe rivelarsi una scelta non appropriata.

L’opportunità di limitare gli eccessi di pressione nei sistemi di distribuzione e gli aspetti ambientali legati alla valorizzazione delle fonti energetiche rinnovabili, rendono rilevante valutare i margini offerti dal recupero energetico ottenibile affiancando alla valvola riduttrice di pressione (PRV) una turbina oppure una pompa funzionante come turbina (PAT). È stata considerata l’applicazione ad un distretto del sistema di distribuzione idrica di Bologna alimentato da due ingressi dotati entrambi di una valvola PRV.

Il prelievo e la distribuzione agli utenti della risorsa idrica potabile comportano l’impiego di un considerevole quantitativo di energia, dovuto in parte alla potabilizzazione, ma principalmente ad attività di pompaggio. Tra i fattori che incidono sui consumi energetici dei sistemi acquedottistici, accanto a quelli legati alla reperibilità della risorsa, all’altimetria del terreno ed all’efficienza di impianti e condotte, significativo è il ruolo delle perdite idriche in rete. Nel presente lavoro si propone una prima analisi dei consumi energetici della Regione Emilia Romagna legati ai sistemi acquedottistici, in particolare valutati alla luce dei corrispondenti livelli di perdita idrica. Nell’ottica di voler indagare la relazione che lega le perdite idriche ed il conseguente incremento di energia dovuto a pompaggio, vengono esposti alcuni risultati valutati su modello numerico per un caso di studio reale costituito da un distretto monitorato della rete acquedottistica di Modena e alimentato mediante pompe a giri variabili. In particolare è stato valutato l’impatto energetico delle perdite in relazione alla loro posizione nella rete di distribuzione. Il codice di calcolo utilizzato è stato EPANET.

La salvaguardia della frazione della risorsa idrica, preziosa e limitata, che può essere destinata al consumo umano, impone la ricerca di modalità che consentano di caratterizzare i sistemi acquedottistici nei confronti dello spreco, in particolare delle perdite idriche. La definizione di indicatori di prestazione adeguati consente di fornire una stima del livello di perdita attuale ed in prospettiva l’individuazione di un livello a cui tendere quale obiettivo futuro, e ciò sulla base di valutazioni gestionali, economiche o di disposizioni dell’ente di controllo. Nella memoria viene illustrato lo stato dell’arte per quanto attiene gli indicatori di prestazione relativi alla tematica delle perdite idriche, in senso stretto. Si esaminano anche alcuni aspetti collegabili con le perdite idriche, evidenziando, attraverso un’analisi critica, quelle che sembrano essere le carenze da colmare nella descrizione generale delle prestazioni. Viene proposta infine una metodologia di analisi aggregata degli indicatori di prestazione. L’approccio, basato su logica bayesiana, è finalizzato all’individuazione di aree “gestionali”, rappresentative delle implicazioni collegate alle perdite idriche, sulle quali fornire una valutazione della prestazione d’insieme.

The paper provides indications about the application of two types of DSSs, underlining how much the selection of a DSS, either based on synthetic models or based on numerical simulation models, has to be consistent with the knowledge of the WDN and with the expected timing to complete water losses reduction projects. Finally, some results achieved with the application of Sanflow, HDF, Econoleak and Presmac, developed by WRC (South Africa Water Research Commission), and with physically based models, as HyNet® developed by EHS S.r.l., are presented. The case study is a portion of the Modena water supply network.

La ricerca di una caratterizzazione dei sistemi di distribuzione idrici, nei confronti delle perdite, ha portato alla definizione di una serie di indicatori volti ad individuare la misura più corretta della prestazione, cercando fondamentalmente di rispondere alle seguenti domande: A quanto ammontano le perdite di un determinato sistema rispetto agli altri? Qual’è il livello di perdita economicamente sostenibile? Quali possono essere i controlli che il regolatare può imporre e su quali parametri? In questo lavoro si discutono gli indicatori di prestazione nei riguardi delle perdite idriche introdotti dall’International Water Association (IWA), dall’Economic regulator for the water and sewerage industry in England and Wales (OFWAT) e quelli previsti dalla normativa italiana (D.M. 99/1997). Ognuno dei tre insiemi di indicatori esaminati presenta, rispetto ai rimanenti, dei vantaggi, ma anche dei significativi punti di debolezza, ed in particolare nessuno dei tre riesce a rispondere in maniera compiuta alle aspettative del regolatore, del gestore, dell’utenza e dell’opinione pubblica. In particolare si evidenzia la necessità di una omogeneizzazione dei diversi approcci con il fine di evitare il depauperamento di una risorsa preziosa come l’acqua.

La valutazione comparativa dei sistemi acquedottistici, necessaria per quanto previsto dal nuovo assetto del settore derivante dall’impianto normativo esistente in campo nazionale, ha trovato negli ultimi anni uno sviluppo notevole. Uno strumento senza dubbio fondamentale a tale scopo è rappresentato dagli indicatori di prestazione (Performance Indicators – PI). Si può definire PI come una misura quantitativa di un particolare aspetto della prestazione dell’impresa o dello standard qualitativo del servizio. Relativamente al problema delle perdite idriche negli acquedotti sono presenti in letteratura dei sistemi di indicatori consolidati e di largo uso, sebbene nessuno tra questi può dirsi completo. Ciò ha reso necessario un processo di omogeneizzazione dei PI presenti in letteratura. Tale processo ha messo in evidenza la necessità di individuare una procedura in grado di strutturare la valutazione delle prestazioni su diversi livelli in ragione degli osservatori interessati alla valutazione stessa. In questa memoria si descrive il modello di valutazione individuato e se ne propone l’applicazione ad un distretto della rete di distribuzione idrica della città di Modena.

Il lavoro approfondisce l'analisi della relazione tra perdite idriche e aumento del consumo energetico valutandolo su modello numerico in riferimento ad un caso di studio reale.

Water loss reduction in water distribution networks WDNs can be obtained by means different methods and technologies. Anyway in many cases utilities have an insufficient interest to reduce water losses because the low production cost of drinkable water and because normally the environmental costs is not considered, also for the difficulties of evaluation. An increment in actual or further water requested can lead to infrastructures insufficiency of parts of the supply system. The reduction of the water losses should be valued in a joined perspective to WDN structural adjustments: the cost of the unit volume of water leakage becomes greater than the unit volume production cost and the water losses reduction can become more attractive. Because of the numerous possibilities in actions and effects, it can be necessary to identify a certain number of scenarios, successively subjected to technical and economical evaluation. The final procedure is based on a set of WDN Performance Indicators PIs for the generation of intervention scenarios in terms of water losses reduction and structural improvements. The objective is to give indication to combine in the most opportune way typology and intensity of each intervention.

Per aggirare le difficoltà matematiche legate alla non linearità delle equazioni del moto, sono stati utilizzati diversi tipi di algoritmi euristici uniti ad un modello di simulazione idraulica. Il lavoro cerca di valurate quanto la scelta della funzione obiettivo possa influire sulla capacità di esplorazione dello spazio delle possibili soluzioni

Si sfruttano le opportunità date dalla telelettura dei contatori ai fini della riduzione del volume complessivo di acqua perso nelle reti di distribuzione. Vengono inoltre fornite delle stime di incertezza nel processo di acquisizione dei dati.

La necessità di affrontare il problema della riduzione delle perdite nelle reti di distribuzione si interseca, per i risvolti economici ed ambientali, con esigenza di riabilitare l’intera infrastruttura. Sono in generale possibili molteplici scelte di intervento, alle quali corrispondono differenti ricadute in termini di efficacia e di costo, e ciò comporta la ricerca della migliore integrazione di diverse tecnologie, e del dosaggio più opportuno nell’apporto di ciascuna di esse. In questa ottica l’analisi preliminare delle metodologie da applicare, e della loro accuratezza e affidabilità, viene ad assumere un ruolo fondamentale, e si distingue per la complessità degli aspetti che occorre considerare. E' quindi sentita l’esigenza di procedure in grado di fornire al decisore una visione chiara dei risultati ottenibili con le diverse soluzioni tecnicamente possibili, e dei costi ad esso associati. Nel seguito si illustra l'applicazione di questa logica ad un distretto individuato nella rete di distribuzione idrica della città di Bologna, tramite l'utilizzo del Sistema di Supporto alle Decisioni HyNet®SSDPERDITE di recente sviluppo.