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Perdite idriche in rete - Francesco Bosco -

1 INTRODUZIONE

Chi opera nel settore dei servizi idrici sa bene che la pressione demografica da un lato e i problemi crescenti di disponibilità della risorsa idrica (adeguate come qualità e quantità) dall’altro caratterizzeranno sempre più attività di gestione di detti servizi per gli anni a venire, specie poi se ci si pone anche l’ambizioso obiettivo di garantire un livello minimo di accesso a tutti, superando qualunque forma di discriminazione, etnica, economica, geografica.
In questo quadro complesso risulta evidente come sia necessario ridurre al minimo le perdite idriche nelle reti e nei sistemi idrici.
Infatti una perdita d’acqua rappresenta non solo un danno economico notevole, ma anche uno spreco di risorsa naturale e preziosa. Deve quindi essere un obiettivo fondamentale per i gestori idrici ridurre il livello di perdita al minimo possibile.

1.1 DEFINIZIONE DI PERDITA E SUA RAPPRESENTAZIONE NUMERICA

Per definire in modo corretto le perdite bisogna introdurre il concetto di “Bilancio Idrico” cioè capire cosa succede all’acqua che immetto nel sistema.
In figura è rappresentato l’approccio proposto dall’IWA (International Water Association), che viene applicato in molti paesi del mondo.
Sostanzialmente l’acqua immessa nella rete viene classificata in base al suo utilizzo. In questo modo si possono identificare 2 famiglie di perdite: le perdite apparenti e le perdite reali.
Le prime sono dovute ad errori di misura (tipicamente dei contatori installati presso gli utenti) e/o ai consumi non autorizzati e cioè allacci abusivi e furti. E’ da notare che sebbene in modo non autorizzato questa acqua viene comunque utilizzata.
Le seconde invece sono le perdite fisiche e rappresentano il volume di acqua che, perso, non viene utilizzato dagli utenti.
Spesso, troppo spesso, indipendentemente dalla sua natura, la perdita idrica viene espressa come percentuale. Tuttavia questa rappresentazione può trarre in inganno. Infatti se da un lato è utile per capire immediatamente lo stato di salute di una rete (p.es. una rete che perde il 50% restituisce chiaramente l’immagine di un sistema che per ogni litro immesso ne perde mezzo) dall’altro non favorisce il confronto tra reti diverse o tra porzioni della stessa rete. Infatti a parità di percentuale di acqua dispersa (p.es 30%) una prima rete piccola e con dotazioni specifiche basse può disperdere per esempio 30 l/s mentre una rete più complessa, lunga e a servizio di una più elevata popolazione può disperdere magari 220 l/s.
Per uniformare dunque il concetto di perdita può essere utile esprimerla direttamente in l/s e, nel caso sia necessario confrontarla con altre reti, in “l/s Km”  o in “l/s utenza” in modo da rendere la sua quantificazione indipendente dalle dimensioni della rete oggetto dello studio.
Ovviamente, e indipendentemente da come vengono espresse, è dovere e obiettivo del gestore combattere e limitare entrambe le forme di perdite: le prime con un attento controllo dei volumi consumati e la gestione del parco contatori (in modo peraltro da garantire agli utenti una misura precisa ed affidabile così come prescritto dalla normativa, vedi direttiva MID sulla metrologia legale).
In questo documento tratteremo però principalmente le perdite fisiche e le tecniche per individuarle e controllarle.

1.2 TECNICHE DI RICERCA PERDITE DISPONIBILI

Trovare le perdite in rete è molto simile a cercare un ago in un pagliaio.
Molto difficile se considero il pagliaio nel suo insieme, più agevole se divido il pagliaio in balle o addirittura in piccoli mucchi di paglia.

 

Il problema è capire in quale balla si trova l’ago!
Vediamo prima di tutto quali sono i tipi di perdite fisiche:
1) perdite evidenti o da rottura (tipicamente visibili su strada)
2) perdite nascoste (simili alle prime per natura, ma l’acqua raggiunge la fognatura o si disperde nel terreno senza raggiungere la superficie)
3) perdite di sottofondo (piccole perdite continue ma quasi invisibili, es. valvole che perdono, accoppiamenti tra tubi difettosi ecc.)

In generale poi si può affermare che le perdite (tutte) crescono al crescere della pressione in rete e che le perdite comportano l’aumento delle portate in rete (effetto visibile soprattutto nelle ore della giornata in cui il consumo intenzionale di acqua da parte degli utenti è basso)
Quindi la presenza di perdite in una porzione di rete può essere segnalata da due fenomeni fondamentali:
- l’aumento più o meno significativo delle portate nella rete (con conseguente diminuzione di pressione);
- la presenza di “rumore” in prossimità delle perdite.
Di conseguenza le strumentazioni e le tecniche che ci aiutano nella ricerca delle perdite si dividono quindi in due categorie principali:
- quelle che prevedono misurazioni di portata con eventuali manovre per la suddivisione delle reti (analisi dei consumi, step test, ecc.).
- quelle basate sull'emissione acustica delle perdite (analisi elettroacustica) e quindi basate sull’utilizzo di strumenti in grado di acquisire il “rumore”

E’ evidente che come nel caso del pagliaio e dell’ago, se so in quale balla cercare la mia perdita la probabilità di successo sarà più elevata.
E’ quindi necessario studiare la mia rete e capire qual è l’area (distretto) che presenta le perdite più alte.

2 MAPPATURA DELLE RETI E DEGLI IMPIANTI

Una delle prime attività consiste nel reperire tutti i dati disponibili riguardanti la rete idrica, in particolare:
- i dati relativi all'approvvigionamento idrico della rete (punti di alimentazione, portata, pressione, ecc) ed alla loro elaborazione;
- i tracciati relativi alle principali condotte facenti parte della rete di DISTRIBUZIONE, della tipologia dei materiali e diametri delle condotte;
- i dati di consumo degli utenti e, in loro mancanza (o se di scarsa qualità), dati sugli abitanti residenti nell’area allo studio, per poter stimare i consumi;
Devono poi essere reperite le planimetrie aggiornate del territorio interessato, su cui vanno riportati tutti gli elementi rilevati e quelli necessari alla reale conoscenza della rete idrica, indispensabile per una corretta elaborazione dei dati in possesso (utenze, portate, pressioni, consumi, etc.).
Bisogna poi procedere al rilievo (anche topografico) di tutti i punti più importanti, ad esempio interconnessioni tra condotte, utenze critiche, scarichi,ecc.

 

Esempio di monografia tipo di Acquedotto


3 MODELLAZIONE

Per procedere alla divisione della mia rete in sicurezza devo essere sicuro che la nuova configurazione non comporti disservizi per gli utenti. Per studiare la configurazione migliore si utilizzano modelli matematici che simulano il comportamento della rete: in questo modo posso individuare con precisione quali operazioni compiere sulla rete minimizzando i disservizi.

3.1 ANALISI DELLA RETE

L'analisi della rete risulta l'indispensabile strumento per poter raccogliere dati ed informazioni per costruire il modello matematico. Vengono raccolti dati statici (caratteristiche tubazioni e manufatti, quote etc.) e dinamici (portate, pressioni etc.) nella rete idrica di DISTRIBUZIONE della zona di applicazione della metodologie, utilizzando misuratori di pressione e di portata dotati di data loggers per immagazzinare i dati di campo.

3.2 RACCOLTA DATI STORICI

Un modello matematico deve essere il più possibile aderente alla realtà per consentire l’ottimizzazione di una rete idrica e la sua suddivisione in distretti. Una parte dei dati necessari per rappresentare la rete reale sul modello proviene dai dati storici, mentre quelli non disponibili devono essere misurati in campo. I principali dati storici sono riassunti di seguito.
• caratteristiche delle condotte (diametro, materiale);
• collegamenti tra le condotte;
• posizione delle saracinesche, degli idranti e delle condotte;
• quota del terreno;
• posizione delle utenze (base cartografica).
Tali dati possono essere rilevati dalla cartografia, dal sistema GIS, dal database UTENTE e da ogni altra informazione disponibile.

3.3 CONSUMI STORICI

Il “motore” di una rete idrica è il consumo. E’ molto importante quindi, per la precisione del modello finale, l’approccio adottato per l’assegnazione dei consumi. I consumi vengono divisi nelle seguenti categorie principali di utenza:
• domestica
• condominiale (domestica con autoclave);
• commerciale (uffici, scuole, negozi);
• industriale (fabbriche);
• alberghiera;
• speciali (utenti con un consumo elevato tipo ospedale, grandi fabbriche)
• perdita.
Una categoria importante di consumo è infatti la perdita, definita come la differenza tra l’acqua immessa in rete e l’acqua consumata (come visto nel capitolo 1). Anni di esperienze e di applicazioni hanno dimostrato che la precisione del modello finale dipende molto dalla quantificazione precisa del livello di perdita ed all’assegnazione al modello. La perdita viene quantificata per area ed assegnata al modello in ragione della lunghezza della condotta associata ad ogni nodo del modello.
Il consumo delle grandi utenze, infine, può influire notevolmente sul funzionamento della rete e quindi sulla precisione del modello finale. Per questo motivo il consumo delle grandi utenze viene registrato con data logger ed assegnato direttamente al modello.

3.4 RACCOLTA DATI DINAMICI (FIELD TEST)

Per poter avere fiducia nei risultati forniti dal modello è necessario verificarne la precisione monitorando la portata e la pressione in rete durante le prove in campo. In generale le grandezze da misurare ed i punti di monitoraggio sono i seguenti:
• la portata in ingresso alla zona monitorata;
• la portata in uscita dalla zona monitorata;
• i livelli dei serbatoi;
• la pressione nei punti di immissione;
• la pressione a valle delle valvole di regolazione;
• la pressione nei punti principali della rete.
La strumentazione utilizzata per il monitoraggio comprende:
• misuratori di portata (tipicamente misuratori ad inserzione del tipo Quadrina, misuratori ad ultrasuono portatili, misuratori elettromagnetici ad inserzione)
• trasduttori di pressione
• datalogger per la memorizzazione dei dati
E’ molto importante durante una prova in campo avere a disposizione numerosi strumenti per poter registrare contemporaneamente tutti i punti in una zona. In questa maniera, i dati sono coerenti e confrontabili.



3.5 COSTRUZIONE E CALIBRAZIONE DEL MODELLO

Sulla base dei dati raccolti viene costruito e calibrato il modello matematico di simulazione della rete idrica.

Calibrazione
La verifica della precisione del modello matematico rappresenta una delle fasi più importanti della metodologia descritta. Il modello viene impostato nella stessa configurazione della rete durante le prove in campo per poter confrontare i risultati generati con quelli registrati in campo.
Quando i risultati del modello riflettano con precisione i valori registrati in campo, il modello può essere considerato calibrato.
La precisione del modello viene di solito verificato durante i seguenti tre periodi diversi:
• consumo minimo tipicamente di notte;
• consumo massimo, tipicamente la mattina;
• consumo medio.

La calibrazione del modello rappresenta anche un metodo di controllo sulla precisione e sullo stato di aggiornamento di tutti gli archivi storici utilizzati per la costruzione in un modo dinamico, che non sarebbe possibile realizzare con lo svolgimento di un semplice rilievo statico delle tubazioni.


4 PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DEI DISTRETTI

La distrettualizzazione consiste nella suddivisione della rete un certo numero di "distretti". Tutti i distretti vengono provvisti di un misuratore di portata o di più misuratori (in entrata nel distretto ed in uscita se il distretto è locato al centro della rete) al fine di poter effettuare i bilanci idrici all'interno del distretto (acqua in entrata, acqua alle varie utenze, acqua in uscita).
Misurando l'acqua in entrata nei periodi di minimo consumo (di notte nelle utenze civili – "night flow monitoring") si desume il livello di perdita nel distretto
Il modello della rete rappresenta uno strumento indispensabile nell’operazione di distrettualizzazione, in quanto consente di analizzare l’effetto di chiusura delle saracinesche sulla rete e quindi di poter definire i confini ottimali dei distretti, senza creare disservizi agli utenti.
Gli obiettivi principali applicati alla progettazione dei distretti sono i seguenti:
• dividere la rete in zone alimentate possibilmente da una o due condotte sulle quali vengono installati misuratori di portata;
• ridurre il numero di saracinesche da chiudere per realizzare i distretti;
• modificare il minimo possibile il comportamento idraulico e qualitativo della rete esistente;
• creare aree di una dimensione adatta per individuare e localizzare le perdite con facilità.
La realizzazione dei distretti è un’operazione delicata che, se non svolta con attenzione, può creare problemi di bassa pressione e di cattiva qualità dell’acqua.
Utilizzando il modello matematico, è possibile provare diverse configurazione per definire quella ottimale senza la necessità di intervenire sulla rete reale.
Inoltre, è possibile verificare il corretto funzionamento dei distretti anche con il consumo previsto per il futuro. In questo modo, è possibile evitare qualsiasi disagio agli utenti causato dalla realizzazione definitiva dei distretti.

 

5 RICERCA DELLE PERDITE

5.1 ANALISI PASSO-PASSO (STEP TEST)

Una volta creati i distretti e definito il livello globale di perdita nel distretto, si procede alla analisi passo passo o "step test" identificando, tramite chiusure successive di tratti di rete nel distretto, i tratti di tubazione ove sussistono le maggiori perdite.  Si riesce quindi a definire per singolo "passo" il livello di perdita e quindi si può decidere ove poter effettuare indagini accurate secondo le tecniche più appropriate di seguito descritte.
La ricerca delle perdite viene fatta SOLO ove si suppone ragionevolmente di trovare un certo quantitativo di perdite, con un grande risparmio di risorse e una maggiore accuratezza.
La distrettualizzazione ed il controllo attivo delle portate nel distretto consente di definire il recupero idrico. Il recupero è la differenza nella portata notturna registrata prima e dopo la riparazione delle perdite. Il livello finale della perdita in ogni distretto sarà poi il livello base per la gestione successiva dei distretti.

 

5.2 METODI DI RICERCA PERDITE IDRICHE

Una perdita idrica consiste in una variazione della continuità del materiale costituente la tubazione (foro sul tubo, oppure lesione del premistoppa delle saracinesche, oppure rottura dei giunti di connessione tra tubazioni ecc..), l’acqua uscendo a pressione dal “foro” genera un fenomeno simile al suono creato nel flauto dal soffio del musicista.
Tale suono, o meglio vibrazione meccanica, di FREQUENZA compresa tra 300 e 3000 Hz, si propaga lungo la tubazione a monte ed a valle della sorgente con una velocità caratteristica che dipende dal materiale costituente il tubo dal diametro e dallo spessore.
L’individuazione di tale rumore è dunque il modo più sicuro e consolidato per localizzare le perdite. In pratica, la ricerca delle perdite idriche viene  svolta mediante l’uso delle seguenti strumentazioni, che vengono riportate in ordine crescente di precisione e tecnologia adottata:

asta geofonica: consiste in un’asta di acciaio a punta della lunghezza tipicamente di 1,50 m, con in testa una lamella di bronzo ed un sistema auricolare di ascolto. Si basa sul principio della amplificazione meccanica della vibrazione che si propaga lungo la tubazione; è influenzata dalle sorgenti esterne di rumore e deve essere utilizzata da personale esperto in ore notturne;

il geofono elettronico: consiste in un microfono a campana ed in un sensibile amplificatore di suoni munito di filtri acustici nella banda di frequenze delle perdite idriche. I geofoni più moderni possiedono un circuito aggiuntivo che isola il segnale con caratteristiche costanti di propagazione (la perdita), “tagliando” gli altri segnali sporadici o di origine impulsiva. In tale modo è possibile individuare “ad orecchio” generalmente l’area di appartenenza della perdita idrica.

Gli strumenti sopra descritti, sono comunque legati alla sensibilità uditiva del tecnico che le usa e alla capacità acquisita con la esperienza di campo.
Sia l’asta geofonica che il geofono elettronico, si basano sulla caratteristica fisica della propagazione ondulatoria denominata “altezza del suono” ovvero intensità del segnale sonoro in termini di ampiezza e sulla caratteristica fisica del “timbro sonoro” che consente di riconoscere differenti strumenti musicali.
In sostanza questi due dispositivi consentono di localizzare una perdita solo se l’operatore è in grado di riconoscere il segnale tipico della perdita dal suo “timbro” e dalla sua “altezza” all’interno dell’inviluppo dei suoni che sono percepiti dall’orecchio umano. I geofoni più sofisticati, consentono di isolare “segnali sonori” che risultano costanti nel tempo e quindi possono aiutare nella identificazione della zona in cui esiste una probabile perdita.

Il correlatore: il correlatore svincola l’operatore dall’analisi della vibrazione vera e propria che si propaga lungo la tubazione, fornendo una maggiore accuratezza in merito alla localizzazione della perdita.
La propagazione della vibrazione meccanica dovuta alla perdita si propaga a monte ed a valle della stessa; tale segnale viene raccolto dai due sensori  posti direttamente sulla tubazione i quali, trasformano la vibrazione meccanica in segnale elettrico che, mediante la trasmittente radio viene ricevuta dallo strumento in dotazione all’operatore.


I due segnali ricevuti dal correlatore sono “sfasati” nel tempo, poiché la posizione della perdita in generale è a differente distanza tra i sensori e di conseguenza, la vibrazione meccanica si propaga con tempi differenti verso i sensori. Il correlatore basa la propria analisi proprio sulla differenza infinitesima tra i tempi in cui sono ricevute le due onde radio modulate in FREQUENZA dal segnale della perdita idrica.
Il correlatore restituisce la posizione della perdita lungo la tubazione e riesce ad ubicarla con buona precisione. Ovviamente tale indicazione è precisa nella misura i cui sono precise le informazioni relative alla condotta su cui si opera (distanza dei sensori, materiale, diametro, assenza di prese o consumi tra i due sensori) e presenta alcune limitazioni sulle tubazioni in materiali plastici.


Noise loggers multicanale: lo sviluppo della strumentazione per la ricerca ed il controllo delle perdite idriche, ha avuto una notevole spinta innovativa con lo sviluppo di strumenti multicanale.
Tali strumenti (della famiglia dei data loggers, ossia acquisitori di dati in campo) agiscono come correlatori ed uniscono le misure di sei o più apparecchiature; in questo modo è possibile localizzare molte perdite che sfuggono alle normali tecniche di ascolto. Possono essere installati in maniera permanente o temporanea.
Una volta inseriti in rete, (direttamente applicate a tubazioni o manufatti per via magnetica) le unità rilevano in modo completamente automatico la presenza di perdite e trasmettono queste informazioni ad una unità ricevente montata su automezzo oppure trasportata a mano.
E' così possibile controllare in tempi brevissimi aree anche molto estese, impiegando una frazione del tempo normalmente occorrente per una tradizionale ricerca a tappeto. Un solo tecnico con un furgone attrezzato è in grado di monitorare diversi distretti in tempi molto brevi. Tali nuovi strumenti consentono una drastica riduzione delle perdite idriche ed il mantenimento dei bassi livelli di perdita raggiunti nel tempo.

5.3 MANTENIMENTO DEL LIVELLO DI PERDITA RAGGIUNTO

Il passo successivo all’individuazione e riparazione delle perdite è la quantificazione del recupero che viene effettuato attraverso il monitoraggio della portata notturna (all’ora dei minimi consumi) ed il confronto con le portate notturne precedenti l’intervento.


 
In figura il recupero è rappresentato dalla fascia blu.
Lo stesso confronto deve essere poi ripetuto nel tempo per accertarsi che il livello di perdita non aumenti. Nel caso insorgessero nuove perdite, questa operazione consente poi di quantificarla e fornisce un importante strumento decisionale per pianificare o meno la ricerca e successiva riparazione della nuova perdita.
Il sistema può essere ovviamente implementato su tutta la rete ed i dati possono (devono!) essere trasmessi in modo automatico in modo da consentire un monitoraggio continuo (sistema permanente di controllo delle perdite).

6 GESTIONE DELLA PRESSIONE

Abbiamo accennato al fatto che le perdite (tutte) aumentano all’aumentare della pressione.
Il modello matematico ci consente allora di progettare una corretta gestione della pressione in rete in modo da ridurre le perdite senza creare disservizi alla popolazione servita.
Ciò consente di diminuire tout court le perdite fisiologiche e la FREQUENZA delle rotture in rete.
Sicuramente la gestione della pressione, qui appena accennata, rappresenta una delle tematiche di ricerca per una gestione migliore della rete e verrà affrontata in un altro documeto.

7 BENEFICI DERIVANTI DALL’APPLICAZIONE DELLA METODOLOGIA DESCRITTA

I benefici principali derivati dalla realizzazione di un sistema permanente di controllo delle perdite sono elencati di seguito:

 Recupero dell’acqua perduta – disponibilità di un maggior quantitativo idrico nel sistema
- notevole riduzione nel livello di perdita;
- mantenimento di un basso livello di perdita nel tempo;
- ottimizzazione dell’intervento di localizzazione delle perdite;
- controllo continuo sui livelli di perdita;
- individuazione immediata della presenza di nuove perdite e delle condotte dove sono collocate;
- programmazione dell’intervento di ricerca nel momento più opportuno;

 Ottimizzazione delle pratiche gestionali
- Individuazione delle principali anomalie dei sistemi di adduzione e DISTRIBUZIONE
- Possibilità di identificare degli allacci illegali
- Possibilità di identificare l’acqua non contabilizzata
-  “What if” o possibilità di interrogare, attraverso il modello, il sistema di monitoraggio al fine di conoscere la risposta ad ogni sollecitazione simulata;
- possibilità di conoscere lo stato di qualità dell’acqua in tutta la rete integrando il modello idraulico con il modello di qualità;
- conoscenza in tempo reale della situazione idrodinamica della rete.

 Ottimizzazione dei costi di investimento sia per le operazioni di manutenzione ordinaria che straordinaria.
- possibilità di progettare al minor costo nuovi sistemi per il soddisfacimento della domanda futura;
- supporto decisionale per interventi di manutenzione sia ordinaria che di emergenza;

8 RICERCA DELLE PERDITE AMMINISTRATIVE

Principalmente le perdite amministrative (o commerciali) sono dovute a:
1. allacci abusivi;
2. errori nei contatori;
3. presenza di utenze sprovviste di contatori.
Per ridurre le perdite commerciali occorre pianificare le seguenti attività:
- sostituzione programmata dei contatori rotti o manomessi e spostamento dei contatori dall’interno all’esterno delle proprietà dei contatori di utenza con priorità sulle installazioni più vecchie;
- controllo di un campione di contatori basato sull’installazione, in serie ai misuratori esistenti, di misuratori di certificata taratura ed elevata precisione dotati di data logger;
- installazione di nuovi contatori presso tutte quelle utenze pubbliche speciali che, non pagando l’acqua, sono attualmente prive di strumenti di misura, etc.;
- miglioramento del database clienti;
- monitoraggio grandi utenti con installazione di misuratori adeguati, possibilmente dotati di data logger e/o predisposti per la telelettura.
La sostituzione dei contatori deve essere indirizzata prioritariamente su quelli più vecchi. Contestualmente, l’installazione di nuovi contatori deve essere effettuata presso tutte le utenze che ne risultano sprovviste a seguito dell’indagine sulla regolarità delle utenze, che prevede controlli incrociati tra i dati anagrafici della popolazione, telefonici, energetici, ed i dati acquedottistici.
Per una corretta stima della perdita amministrativa, è poi opportuno approfondire le informazioni relative allo stato di fatto in merito a: classificazione delle perdite, dotazione idrica reale effettivamente fornita agli utenti e suddivisione degli utenti tra popolazione residente, popolazione fluttuante ed altre tipologie di utenza (commerciali, artigianali, etc.).
Mediante interventi mirati soprattutto concentrati sull’installazione di nuovi contatori presso le utenze sprovviste o sostituzione di contatori non adeguati, le perdite amministrative possono essere ridotte ad un valore fisiologico del 7% (sull’erogato). Tale valore fisiologico limite risulta confermato statisticamente da numerose realtà italiane ed è in gran parte dovuto agli errori fisiologici dei contatori e ad usi non contabilizzati (per esempio lavaggio strade, lavaggio fognature, servizi antincendio, etc.).