Previsione e modellazione della domanda idrica nei sistemi acquedottistici

Water distribution networks are of fundamental importance to ensure the transport and supply of water to individual users, ensuring water quality and quantity. Therefore, the management of water networks, in terms of accurate planning and maintenance, must be addressed with the widest possible range of information, because the decisions taken on the matter are supported by specific data. The need to have information regarding network users and their consumption, as well as techniques and procedures, which allow the bodies responsible for optimally planning the treatment, storage and use of drinking water, is ever more pressing. The main target of this thesis is to deal with the forecasting and modeling of water demands, which is articulated in the characterization of the single-user demand and the hydraulic modeling of the supply to the water demand node. Regarding the water demand forecast, a model for the prediction of water requests on a 24-hour time window using only a couple of coefficients, whose value is updated at each forecast stage, is presented. These coefficients are estimated using the information available in the weeks prior to the time of the forecast and, therefore, the model does not require any actual calibration process. The length of the time series needed to implement the model is a few weeks and the model can be parameterized and used without there being any need to collect hourly water demand data for long periods. This model, together with five recently proposed ones, is applied to several real cases to verify their effectiveness. As regards the characterization of water demands at single user level, a procedure that allows the reproduction of water demand for a set of users, given that the volumes invoiced yearly by these same users and the volume of provided water to all these users are known, is proposed. First, an analysis will be conducted on field data, aimed at defining mathematical relationships between the characteristic quantities derived from the time series and the values of the model parameters. Then, following these relationships, the model will be applied to two case studies. Finally, as regards the modeling of water requests from a hydraulic simulation point of view, this thesis compares several recently proposed methods for instantaneous simulations of Pressure Driven distribution networks, using the EPANET software interface; in addition, an innovative method is presented. The proposed method is based on the insertion, in each demand node, of a sequence of devices consisting of a General Purpose Valve (GPV), a pipeline with a non-return valve and a reservoir. It differs from the other methods previously proposed in the literature - similarly based on the insertion of sequences of devices consisting of a valve and a reservoir or emitter - due to the use of the GPV; more specifically, this valve allows a flexible representation of the relation between flow and load, whereas with the other methods this relationship remains fixed, according to the structure of the sequence of devices used.

Le reti acquedottistiche sono di fondamentale importanza per garantire il trasporto e l’erogazione dell’acqua alle singole utenze, assicurandone la qualità e la quantità. Pertanto la gestione delle reti idriche, in termini di accurata progettazione e manutenzione, deve essere affrontata conoscendo le forzanti del sistema e utilizzando degli strumenti che siano di supporto alle decisioni. È sempre più pressante l’esigenza di disporre di informazioni riguardanti gli utenti delle reti e i loro consumi, oltre che di tecniche e procedure, che permettano agli enti preposti di pianificare in maniera ottimale il trattamento, lo stoccaggio e l’uso dell’acqua potabile. Obiettivo principale di questa tesi è affrontare la previsione e la modellazione delle domande idriche, a sua volta articolata in caratterizzazione della domanda a livello di singola utenza e modellazione idraulica dell’erogazione al nodo della domanda idrica. Per quanto riguarda la previsione delle domande idriche, viene presentato un modello per la previsione delle richieste idriche su una finestra temporale di 24 ore utilizzando esclusivamente una coppia di coefficienti, il cui valore viene aggiornato ad ogni fase di previsione. Questi coefficienti sono stimati utilizzando le informazioni disponibili nelle settimane precedenti al momento della previsione e, pertanto, il modello non richiede alcun processo di calibrazione. La lunghezza delle serie temporali necessarie per implementare il modello è di poche settimane e il modello può essere utilizzato senza che sia necessario raccogliere i dati orari della domanda di acqua per lunghi periodi. Questo modello, insieme ad altri cinque recentemente proposti, è applicato a diversi casi reali per verificarne l'efficacia. Per quanto riguarda invece la caratterizzazione delle domande idriche a livello di singola utenza, si propone una procedura che consente di generare con un approccio probabilistico i consumi di un insieme di utenze, posto che si conoscano i volumi fatturati annui di ciascuna di queste utenze e l’andamento nel tempo del volume consumato dall’insieme delle utenze. Infine, per quanto riguarda la modellazione delle richieste idriche da un punto di vista di simulazione idraulica, in questa tesi si confrontano diversi metodi recentemente proposti per simulazioni istantanee di reti di distribuzione in modalità Pressure Driven, utilizzando l'interfaccia software EPANET; inoltre viene presentato un metodo innovativo. Il metodo proposto si basa sull'inserimento, in ciascun nodo di domanda, di una sequenza di dispositivi costituiti da una General Purpose Valve (GPV), una condotta fittizia, una condotta con una valvola di non ritorno e un serbatoio. Esso differisce dagli altri metodi precedentemente proposti in letteratura - similarmente basati sull'inserimento di sequenze di dispositivi costituite da una valvola e un serbatoio o emitter – per l’utilizzo della GPV; più specificamente, questa valvola consente una rappresentazione flessibile della relazione tra portata e carico, mentre con gli altri metodi questa relazione rimane fissa, in base alla struttura della sequenza di dispositivi utilizzati.