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ADATTAMENTO DEI SISTEMI E DEI SERVIZI IDROPOTABILI ADATTAMENTO DEI SISTEMI E DEI SERVIZI IDROPOTABILI

A SCENARI DI CARENZA IDRICA A SCENARI DI CARENZA IDRICA

(coordinatore nazionale: Prof. Carlo Ciaponi)(coordinatore nazionale: Prof. Carlo Ciaponi)

La ricerca scientifica italiana nel campo

dell’idraulica:

presentazione dei risultati dei progetti PRIN 2008

Ferrara, 24-25 gennaio 2013

UNITA’ DI RICERCA

Università degli Studi di Ferrara – Polo Scientifico Tecnologico

UNITA’ DI RICERCAUNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PAVIA

C. Ciaponi, L. Franchioli, E. Murari, S. Papiri(coordinatore locale: Prof. Carlo Ciaponi)

Analisi prestazionale per l'adattamento dei sistemi acquedottisticia situazioni di carenza idrica

1

OBIETTIVO DELLA RICERCA : messa a punto di una metodologia di analisiIdraulica atta a confrontare, per quanto riguarda il livello di servizio dell’utenza,strategie alternative di adattamento in sistemi idrici in condizioni di carenza idrica

STRATEGIE DI ADATTAMENTORazionamento dell’acqua distribuita, attuato attraverso il controllo della

pressione in rete, ottenibile con diverse modalità alternative

Presentazione dei risultati dei progetti PRIN 2008 - area 08/A1 - 24 e 25 gennaio 2013

COMPARAZIONE fra le diverse alternative con strumen to di analisi idraulica che DEVE:

a) per ogni soluzione alternativa: quantificare le prestazioni con indici cheabbiano un chiaro significato fisico

b) operare correttamente anche in situazioni di deficit pressorio (approccio“Pressure Driven")

c) tenere conto della variabilità temporale della domandad) tenere conto di probabili fallanze meccanichee) essere applicabile anche a reti di grandi dimensioni

2

Ciaponi, C., Franchioli, L., and Papiri, S. (2012). ”Simplified Procedure for Water Distribution Networks Reliability Assessment.” J. Water Resour. Plann. Manage., 138(4), 368–376.

AFFIDABILITA’: capacità di soddisfare la richiesta dell’utenza nel corsodel periodo soggetto a valutazione, in relazione alle molteplici condizionidi esercizio (ordinarie e straordinarie) che possono intervenire.Misura dell’affidabilità :

PROCEDURA: quantifica il livello prestazionale della soluzione esaminataattraverso una VALUTAZIONE SEMPLIFICATA dell’AFFIDABILITA’


Calcolo : tiene conto delle molteplici condizioni di lavoro a cui il sistemaè soggetto per quanto riguarda:• eventuali stati di fallanza meccanica (indisponibilità di un tronco

in relazione alla sua messa fuori servizio per manutenzione)• variazione della domanda nel tempo

R

A

W

WR =

3

Pregio: significato fisico semplice e chiaro riferibile al livello di prestazione fornito all’utenza

sono prese in esame le diverse condizione di lavoro che, per effetto difallanze meccaniche , possono intervenire durante la vita dell’impianto:

PER OGNI SOLUZIONE PROGETTUALE ESAMINATA

Domanda idrica : riferita ad un “giorno tipo” nell’ambito del quale varia in modo deterministico secondo un idrogramma orario (o biorario, triorario, quadriorario)


fallanze meccaniche , possono intervenire durante la vita dell’impianto:- condizione 1: funzionamento pieno di tutte le componenti del sistema- condizione 2: messa fuori servizio del tronco 1- condizione 3: messa fuori servizio del tronco 2- …..- condizione k: messa fuori servizio del tronco NT-esimo

Per ogni condizione di lavoro, viene svolta una verifica idraulica perogni intervallo di tempo a cui corrisponde un particolare valore delladomanda

4

Ad ogni condizione di lavoroè associato un valore di probabilità

INDICATORI DI PRESTAZIONE(Wagner et al., 1988; Gupta & Bhave, 1996; Gargano & Pianese, 2000)

i,j

n

1i

n

1ik,i,j

k,j

rQ

Q

R

∑

∑

=

==J = indice nodo (J = 1, NN)

∑∑

∑∑

= =

= ==NN

j

n

iij

NN

j

n

ikij

k

Qr

Q

RR

1 1,

1 1,,

I = indice intervallo di tempo in cuiil “giorno tipo” è diviso (i = 1, n)

K = indice condizione di lavoro(k = 1, NS)

Q = portata effettivamente erogata

Indice locale per ogni condizione di lavoro

Indice globale per ogni condizione di lavoro

Indice locale per ogni condizione di lavoro


= =j i1 1

( )∑=

=NS

kkkjj wRR

1,

( )∑=

=NS

kkk wRRRR

1

5

Q = portata effettivamente erogataQr = portata richiesta

no calcoli di verifica = no intervalli idrogramma * (no tronchi + 1)

Indice locale pesato su tutte le condizione di lavoro

Indice globale pesato su tutte le condizione di lavoro

Wk = probabilità associata allacondizione di lavoro

0 10% nodi

1 90% nodi0.910%100%100%3 (gravissima)

0.90.9100%10%100%2 (grave)

0.90.9100%100%10%1 (accettabile)

RjRRper %

nodi

per %

tempo

Deficit

(Qr-Q)/QrGravità situazione

0.000.00.9

0.730.90.9

0.810.91.0

RRcFnFt

INDICATORI SUPPLEMENTARI (Gupta & Bhave, 1994) Ft=fattore temporale, Fn = fattore nodaleper tenere conto della diversa gravità connessa alla distribuzioe spaziale e temporale delle fallanze

Per ogni condizione di lavoro

NN/1NN

jjn RF

= ∏

βj,i=1 se Qj,i/Qrj,i ≥ valore accettabile (ad esempio: 0,5)

βj,i=0 se Qj,i/Qrj,i < valore accettabile (ad esempio: 0,5)

T = durata totale periodo considerato

RRk corretto = Ft Fn RRk

Presentazione dei risultati dei progetti PRIN 2008 - area 08/A1 - 24 e 25 gennaio 2013 6

TNN

t

F

NN

j

n

ii,j

t

∑∑=

∆β

La correzione va applicata ad ogni indice globale calcolatocon riferimento ad una specifica condizione di lavoro

Per ogni condizione di lavoro

ii

i

i MTTRMTTF

MTTFA

+=

i

iMTTR

µ1=

Le condotte sono elementi riparabili. L’analisi probabilistica della fallanza meccanica può essere svolta a partire dai concetti di disponibilità (availability)

A i e di indisponibilità (unavailability) Ui

Tasso di riparazione

ANALISI PROBABILISTICA DELLE FALLANZE MECCANICHE(Khomsi et al. 1996; Gargano and Pianese 2000; Tany mboh et al. 2001)

ii

i

ii MTTFMTTR

MTTRAU

+=−= 1

( ) ∏==

NT

ii

Ap1

0 ( ) ( )f

f

A

Upfp 0=

TASSO DI ROTTURA [rott./(km*anno)]

MTTF = Tasso medio di fallanza;

MTTR = Tempo medio di riparazione

ii

i LMTTF

λ365=

Valori di riferimento

Basso λ < 0.2

Medio 0.2 < λ < 0.4

Alto λ > 0.4

Presentazione dei risultati dei progetti PRIN 2008 - area 08/A1 - 24 e 25 gennaio 2013 7Presentazione dei risultati dei progetti PRIN 2008 - area 08/A1 - 24 e 25 gennaio 2013

SIMULAZIONE IDRAULICA basata su approccio “Pressure Driven”

Legge: Q= Q (p)

Q = α Qr

α = 1 for H ≥ Hr


α = 0 for H ≤ Hmin

0 < α < 1 for Hmin < H < Hr

β/1

minHHr

minHHα

−−= Wagner et al.(1988)

SOLUTORE: EPANET-2 con opzione “Emitters”

Emitters:γ)zH(CQ −=

γ)zHr(

QrC

−= che per Hmin= z e γ=1/β

β/1

minHHr

minHHα

−−=

Assumendo: Q = Qr per H = Hr si ottiene:

(1)


γ)zHr(C

−= che per Hmin= z e γ=1/β

minHHrα

−

=

Procedura iterativa:1) Calcolo convenzionale DDA2) Calcolo con “emitters” posizionati dove H < Hr3) Calcolo assumendo Q=0 nei nodi “emitters” dove Q<0 e

assumendo Q=Qr nei nodi “emitters” dove Q>Qr

N.B. nell’equazione di Wagner, a differenza che nella (1), 0<Q<Qr

RETE DI PAVIA

Node z [m]Solution A Solution B

H [m] Q [l/s] H [m] Q [l/s]

116 80 125.00 350.00 125.00 960.50

139 65 123.00 300.00 inc 0.00

143 80 121.00 310.50 inc 0.00

3 alimentazioni

CASO DI STUDIO: rete della città di Pavia

2 soluzioni progettuali

3 alimentazioni

1 alimentazione (solo 116)

143 nodi, 206 tronchi e 64 maglie


0.9

0.95

1

1.05P

.I.

RRA

RRB

RRcA

RRcB

Trend of performance indicators depending on head-loss coefficients

0.75

0.8

0.85

0.9

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

Head losses coefficient

P.I.


0.94

0.96

0.98

1

1.02

P.I.

RRA

RRB

RRcA

RRcB

Trend of performance indicators depending on demand coefficients

0.86

0.88

0.9

0.92

0.94

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1

Flow rate multiplier

P.I.


ASPETTI CRUCIALI ai fini dell’applicazione della procedur a:1) Definizione della relazione di legame Q = Q(p)2) Stima del tasso di rottura delle tubazioni

C.Ciaponi, L. Franchioli (2010) - Indagini sperimentali sul tasso di fallanza delle condotte delle reti di distribuzione idrica - Workshop

RICERCHE AFFRONTATE da U.R. dell’Università di Pavi a


fallanza delle condotte delle reti di distribuzione idrica - Workshop “La progettazione e la gestione dei sistemi acquedottistici e fognari H2O, Ferrara, 21-23 maggio

Ciaponi C., Franchioli L., Murari E., Papiri S. (2012) - Un modello di legameQ-H per l'analisi PDA delle reti di distribuzione idrica” - Atti del XXXII Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche. Brescia, 10-15settembre.

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