Ricerca delle perdite nelle reti di distribuzione idrica:

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1 Ricerca delle perdite nelle reti di distribuzione idrica: analisi delle tecnologie e delle metodologie con particolare riferimento alla realtà pugliese G.R. Tomasicchio G. Viggiani, A. Palazzo, P. Molfetta QUADERNI C.I.T. - N.1 Novembre 2005

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3 Il presente rapporto di ricerca è stato redatto dal Gruppo Area Tecnologica del C.I.T. con il contributo del Ministero dell Istruzione e della Ricerca, Progetto 1105/102. Contributi straordinari Istituti e/o Enti di Ricerca ad esclusione delle Università nelle aree ricomprese nell obiettivo 1. Decreto Direttoriale 9 Ottobre 2002 prot. N.1105/2002 i

4 Indice Introduzione 1 1 Perdite d acqua nelle condotte in pressione Generalità sulfenomeno Tipologia, frequenza e posizione delle rotture Metodologie di ricerca delle perdite d acqua Sistemi di ricerca perdite software-based Bilanciodivolume Studio dei transitori di moto vario Sistemi di ricerca perdite hardware-based Metodologie di pre-localizzazione delle perdite Metodologie di localizzazione delle perdite Guida alla selezione delle tecniche di ricerca perdite Sistemi di ricerca perdite per oleodotti e gasdotti Alcunetecniche Gestione delle attività di ricerca delle perdite Affidamento esterno delle attività di ricerca perdite: considerazionisultipodicontratto Strutturazionedelpersonale Appendice A. Decreto Ministeriale dell 08 gennaio ii

5 1 Regolamento sui criteri e sul metodo in base ai quali valutare le perdite degli acquedotti e delle fognature Appendice B. Allegati del Decreto Ministeriale dell 08 gennaio Allegato 1 del D.M. dell 08 gennaio Partizionedegliimpianti Usi dell acqua Volumidiacqua Allegato 2 del D.M. dell 8 gennaio Naturadelleperdite Strumenti di controllo e strategie di riduzione delle perdite Parametri di valutazione delle perdite Appendice C. Sistema Idrosave 56 Appendice D. Fornitori della tecnologia di leak detection 60 Appendice E. Costi dei servizi di leak detection 65 1 Cercaservizi Sistemidipre-localizzazione Sistemidilocalizzazione Bibliografia 67 iii

6 Elenco delle figure 1.1 divisione della rete di distribuzione in settori un tipico andamento nelle 24h delle portate immesse in rete con le relative aliquote di perdita andamento durante l anno della portata immessa nel distretto nel periodo notturno tempi di consapevolezza, di individuazione e di intervento nel caso di perdita burst o background leakage, con confronto tra i volumi di acqua dispersi schema per il calcolo dei tempi di correlazione schema per il calcolo dei tempi di correlazione utilizzando il principio della tri-correlazione componenti hardware di uno strumento di ispezione per oleodotto sistema di scansione del Magnetic Leakage Testing tipica struttura di una squadra addetta alla ricerca perdite per un area con connessioni [Farley e Trow, 2003] iv

7 Elenco delle tabelle 1.1 fattori che maggiormente influenzano la frequenza di rotture nelle condotte a seconda del tipo di carico (ρ resistività) [Kleiner et al., 2002] parametri statistici relativi alla frequenza di rotture in reti di diversi paesi (elaborazione dati ibnet) numero di Unità lavoro utilizzate a seconda dell area e della fase di lavoro v

8 Introduzione La ricerca delle perdite nelle condotte in pressione è una delle problematiche più importanti nella gestione delle risorse idriche e nell Ingegneria ambientale. La maggiore aliquota del volume idrico immesso in rete e non contabilizzato, o semplicemente non utilizzato, è costituito dalle perdite attraverso i componenti della rete. Le perdite causano una ridotta efficienza idraulica dei sistemi in pressione e possono causare costi diretti, come il costo intrinseco dell acqua non utilizzata, o costi indiretti, come i danni alle strutture e infrastrutture dovuti alla fuoriuscita di acqua in pressione, specialmente in centri abitati. Inoltre, una perdita causa l interazione della condotta con l ambiente: le perdite possono causare l inquinamento dell acqua all interno della condotta dovuto ad intrusione di inquinanti e, nel caso di oleodotti, il foro può rappresentare una pericolosa sorgente di inquinante per l ambiente circostante. Per questi motivi, numerosi metodi sono stati sviluppati in passato e molte tecnologie innovative sono state applicate per l individuazione delle perdite. La disponibilità di risorse idriche ed economiche ed il livello di evoluzione tecnologica e culturale di un territorio, determinano solitamente differenti gradi di attenzione al problema, dando luogo a situazioni estremamente diversificate. Si passa infatti da valori di volumi non registrati del 15-30% nei paesi industrializzati al 60% di molte reti in esercizio in paesi poveri o in specifiche realtà locali. In alcuni casi, di dubbia convenienza economica, il volume non registrato viene contenuto entro valori bassissimi (8% a Singapore, 3% a Dus- 1

9 Introduzione seldorf), probabilmente sulla base della considerazione che il contenimento delle perdite è in assoluto un giusto obiettivo da perseguire [Bridges, 1994]. In Italia [Di Federico, 2000], l entrata in vigore della legge Galli (legge 36/1994) ha fatto si che il problema delle perdite idriche fosse riconsiderato dallo Stato Italiano (D.M. LL.PP. 08/01/1997 n.99 G.U. 18/04/1997 n.90) e ha favorito: processi di pianificazione dell uso della risorsa idrica e della sua tutela organizzazione di servizi relativi ad acquedotti, fognature ed impianti depurativi. Tali strumenti di pianificazione hanno come obiettivo quello di ridurre gli sprechi idrici e di contenere le perdite di una generica rete, causando non solo vantaggi economici dovuti ai minori costi di captazione, immagazzinamento, potabilizzazione, adduzione, distribuzione, ma anche giovamenti dovuti alla raccolta, smaltimento e trattamento di acque reflue nonchè importanti benefici di natura ambientale dovuti ad una diminuzione del prelievo delle acque sotterranee e di superficie. Seguendo un approccio piú strettamente economico, solo nel caso in cui la risorsa sia abbondante e disponibile con un costo ridotto ha senso procedere con un approccio passivo, ossia accettando le perdite in rete e limitando gli interventi alle rotture o alle riduzioni di pressione che si manifestano con evidenza [Farley e Trow, 2003]. È necessario, però, che tale situazione si mantenga nel tempo, ossia non debbano temersi riduzioni future dei volumi idrici disponibili. Un orientamento in senso federale dell amministrazione della cosa pubblica in Italia, tuttavia, non consente un approccio passivo in quelle regioni, come la Puglia, in cui la distribuzione idrica si basa sulle risorse provenienti da regioni limitrofe. Se, da un lato, infatti, ben difficilmente la Puglia potrà autosostenersi in termini di risorse idriche, è ovvio che un uso parsimonioso della risorsa, è basilare per il contenimento dei costi di esercizio. Tale circostanza contrasta con l attuale stato di fatto, in cui, secondo stime recenti 2

10 Introduzione fornite dall Ente gestore, i volumi persi raggiungerebbero il 52% di quelli immessi, di cui oltre il 30% attribuibili a perdite attraverso i componenti della rete [Piano di valutazione perdite, AQP, 2002]. Il volume perso è addirittura molto piú elevato del volume di uno dei grandi invasi lucani che alimentano il sistema. Ne consegue la necessità di un intervento drastico di riduzione delle perdite nel sistema di ditribuzione, peraltro già preventivato dall Ente gestore (AQP). A tale scopo, un intervento decisivo è la ricerca perdite nella rete (leakage detection). Essa assolve una molteplice funzione. In primo luogo, l individuazione (e la successiva riparazione) delle rotture individuate consente, almeno nell immediato, una riduzione dei volumi persi. Contemporaneamente, la ricerca perdite consente di acquisire conoscenze sullo stato della rete, sia in relazione alla posizione e alla tipologia delle condotte, sia per quanto concerne le prestazioni attese dalla stessa. Infatti, in molti casi, la conoscenza della posizione e del tipo di condotte non è disponibile con esattezza. Anche il numero di allacciamenti può essere diverso da quello atteso, spesso in relazione ad usi non contabilizzati. Utile è anche l acquisizione della conoscenza della posizione degli altri servizi (fognatura, gas, fibre ottiche, ecc.), da tenere in considerazione nelle operazioni di scavo. Per quanto riguarda le prestazioni, invece, la conoscenza dello stato fisico della rete consente di stimare alcune grandezze fondamentali nella definizione del funzionamento complessivo del sistema, e in particolare le perdite non rilevabili (background leakage) e la frequenza delle rotture. Queste ultime attività risultano propedeutiche alla definizione dei necessari programmi di manutenzione, riabilitazione o sostituzione dei componenti della rete, da eseguirsi secondo i criteri di minimo costo economico e sociale. In altri termini, l attività di ricerca perdite è da intendersi non solo come localizzazione e successiva riparazione di rotture, ma anche come assessment delle condizioni della rete [Eishwirth et al., 2001]. È appena il caso di rilevare che, proprio in reti vetuste e con perdite accertate molto consistenti, come quella pugliese, tale fase di detection/assessment 3

11 Introduzione è il primo necessario passo verso il controllo del fenomeno. Tuttavia, la ricerca perdite non può attualmente essere ritenuta una attività standardizzata e ampiamente collaudata. Infatti, diverse tecnologie sono disponibili o in via di sviluppo, ma non esistono metodi validi per qualsiasi circostanza. Diversi fattori possono condizionare l esito della ricerca (tipo di condotta, rumorosità dell ambiente, ecc.), dando luogo, in alcuni casi, a falsi allarmi e interventi non utili. Questi aspetti assumono particolare rilievo per quelle tecnologie che sono state sviluppate ed applicate per altri tipi di reti di distribuzione (oleodotti, gasdotti). La validità di una tecnica, peraltro, deve essere valutata non solo in termini di disponibilità ed applicabilità, ma anche in relazione alla sua efficacia e sensibilità (ossia accuratezza, affidabilità, attendibilità), nonchéalcosto. Anche l esperienza e l organizzazione delle squadre impiegate nelle attività organizzative e sul campo assume un ruolo significativo nel determinare il buon esito delle operazioni. Il coinvolgimento di piú soggetti, inoltre, conferisce un importante contributo alla fase gestionale, soprattutto nel caso in cui il gestore del servizio di distribuzione provveda ad affidare l incarico all esterno. In questo contesto, la tipologia di contratto stipulato fra committente ed esecutore è decisiva nel determinare il rischio per l una o l altra delle parti in causa. 4

12 Capitolo 1 Perdite d acqua nelle condotte in pressione 1.1 Generalità sul fenomeno La fenomenologia delle perdite nelle reti in pressione è sufficientemente nota, anche grazie ai metodi di analisi basati su misure di portata eseguite su porzioni delle reti stesse. Tali metodi, introdotti in Gran Bretagna attorno al 1980, prevedono la divisione del sistema di distribuzione in aree circoscritte, eseguita mediante installazione di valvole e misuratori di portata (Fig. 1.1). Con questa tecnica, nota come settorizzazione o district metering, si possono quantificare, con sufficiente approssimazione, le perdite nella rete e la loro tipologia. A tal proposito, nella teoria delle perdite [Morrison et al., 2004], le perdite (leakage) si distinguono in: background leakage; breaks o burst leakage La prima è la perdita che avviene attraverso tutte le falle della rete che hanno singolarmente dimensioni troppo piccole perché sia possibile o conveniente individuarle (piccole crepe, giunti non a tenuta, ecc.). Questo tipo di perdita è praticamente sempre presente nelle reti in esercizio, al punto 5

13 1.1. Generalità sul fenomeno Figura 1.1: divisione della rete di distribuzione in settori Figura 1.2: un tipico andamento nelle 24h delle portate immesse in rete con le relative aliquote di perdita da potersi assimilare ad una perdita distribuita, il cui valore in un tratto di condotta puó essere ritenuto proporzionale alla lunghezza della stessa ed alla pressione. Nel secondo caso (breaks o burst), la perdita avviene attraverso le fratture e i fori di maggiori dimensioni che si manifestano nei componenti della rete, i quali possono essere individuati con opportune tecniche descritte nel capitolo 6

14 1.1. Generalità sul fenomeno 2. La settorizzazione viene generalmente utilizzata come tecnica di prelocalizzazione, ossia per individuare i distretti in cui èpiú conveniente/urgente intervenire mediante sostituzione/riparazione/riabilitazione dei componenti della rete. In particolare, la settorizzazione consente di ottenere informazioni sull andamento dei consumi in un distretto (Fig. 1.2). Nel caso dei consumi notturni, è possibile quantificare le diverse aliquote che compongono il volume immesso nella rete, previa formulazione di alcune ipotesi semplificative. Piú esattamente, l ipotesi (in genere accettabile) di consumo notturno costante consente di ritenere che anche la pressione notturna sia costante (in situazioni di eccesso di carico come nei periodi notturni, la pressione può essere ritenuta indipendente dai consumi). Di conseguenza, anche la background leakage notturna si puó assumere costante nel tempo. Con queste assunzioni, il verificarsi di una rottura è chiaramente desumibile dall andamento della portata immessa nel distretto nel periodo notturno (Fig.1.3). La figura 1.3 illustra una caratteristica significativa dei due tipi di perdita. Infatti, in essa si distinguono: le rotture (breaks) di notevole evidenza, per le quali si provvede normalmente ad un rapido intervento; le rotture di minore entitá/evidenza, per le quali la consapevolezza, la localizzazione e l intervento richiedono tempi molto piú lunghi (5 gg. contro 75 gg. per il caso illustrato in Fig. 1.4) Inoltre, le figg.1.3 e 1.4 evidenziano che, in termini di volumi persi, le perdite del tipo background possono essere molto piú gravose. Pertanto, interventi limitati alle sole rotture evidenti o di maggiore entitá, che determinano perdite del tipo burst e che sono generalmente segnalate direttamente dall utenza, possono non essere sufficienti per una corretta gestione della rete. 7

15 1.2. Tipologia, frequenza e posizione delle rotture Figura 1.3: andamento durante l anno della portata immessa nel distretto nel periodo notturno. Figura 1.4: tempi di consapevolezza, di individuazione e di intervento nel caso di perdita burst o background leakage, con confronto tra i volumi di acqua dispersi. 1.2 Tipologia, frequenza e posizione delle rotture Le rotture possono manifestarsi in diverse forme, che influenzano sia l entità della portata che fuoriesce, sia la tecnica da utilizzare per la successiva eventuale riparazione. Per alcuni materiali, come l acciaio ed il PVC, tendono a verificarsi spac- 8

16 1.2. Tipologia, frequenza e posizione delle rotture cature (split) a causa di pressione eccessiva, difetti costruttivi o danni esterni. In alcuni casi, la spaccatura può estendersi per molti metri, anche attraversando i giunti. La più frequente modalità di rottura nelle condotte in ghisa è la rottura ad anello (ring crack) verticale. Sono soprattutto le condotte di piccolo diametro a presentare questo tipo di rotture. Tutti i materiali metallici sono suscettibili di corrosione, con formazione di veri e propri fori. Si parla di corrosion holes. La ghisa, ad esempio, può grafitizzare ed un intero pezzo della condotta può essere asportato. Spesso, si verificano delle perdite in corrispondenza dei punti di unione (ferrule damage) fra le condotte principali, infatti, le perdite in corrispondenza dei giunti sono piuttosto frequenti, anche in condotte nuove e di piccolo diametro. Anche tutti gli organi idraulici che interrompono la continuità delle condotte (valvole, idranti, ecc.) sono una potenziale sede di perdite. Alcuni dei fattori che possono maggiormente influenzare il tipo di rottura ed il numero di rotture che si verificano nell unità di tempo e di lunghezza (n/m/anno) sono riportati in Tabella 1.1. Statici Dinamici Operativi Materiale Vetustà Freq. Sostituzione Diametro Temperatura (suolo,fluido) Protez. catodica Spessore Carichi dinamici Pressione Mod. installazione ρ elettrica del suolo Carico terreno Condizioni terreno di posa Tabella 1.1: fattori che maggiormente influenzano la frequenza di rotture nelle condotte a seconda del tipo di carico (ρ resistività) [Kleiner et al., 2002]. L influenza combinata di tali fattori determina una frequenza di rotture estremamente variabile. La Tabella 1.2 riporta alcuni parametri statistici elaborati dal C.I.T. sulla base dei dati IBNET ( ad oggi, il più completo database sulla gestione della distribuzione idrica. Con riferimento al campione esaminato, la frequenza di rotture è compresa fra zero (in alcune reti non sarebbero state registrate rotture nel periodo di osservazione) e ben rotture per km in un anno (rete di Rahov, Ucraina). 9

17 1.2. Tipologia, frequenza e posizione delle rotture Si rileva che la variabilità del numero di rotture per km e per anno, èridot- ta nei paesi in cui è maggiore l attenzione al problema. Ne riulta che, nel corso di attività di ricerca di perdite su reti poco conosciute, è difficile fare riferimento a valori medi attesi. I risultati attesi, cioé, non possono essere valutati a priori senza un preventivo studio delle caratteristiche di funzionamento del sistema. L individuazione, ad esempio, di un piccolo numero di rotture potrebbe essere significativa in una rete di elevate prestazioni, oppure assolutamente trascurabile in una rete soggetta a rotture molto frequenti. La mancanza di valori di riferimento può condizionare anche la fase di stipula di contratti di appalto di attività di ricerca perdite (v. par.4.1). Nazione num rott./km /anno min max media σ Australia Inghilterra & Galles Georgia Kazakhistan Repubblica di Kyrgyz Malaysia Vietnam Ucraina Perú Russia Moldova Tadjikistan Argentina Tabella 1.2: parametri statistici relativi alla frequenza di rotture in reti di diversi paesi (elaborazione dati ibnet) Un altro aspetto di rilievo nelle attività di ricerca perdite è la posizione prevalente delle rotture. Ad esempio, studi condotti nella città ditokio hanno evidenziato che ben il 90% delle rotture (corrispondente all 80% del volume perso) avviene negli allacciamenti ai privati. Simili situazioni sono state riscontrate ad Hong Kong, mentre nel Regno Unito, per alcune reti esaminate, il 45% della perdita si verifica negli allacciamenti [Bridges, 1994]. Si può senz altro osservare che simili circostanze sono legate allo stato del- 10

18 1.2. Tipologia, frequenza e posizione delle rotture la rete principale, che è buono per i tre casi citati. Diverse situazioni si verificano, invece, in reti in cattive condizioni. Nella rete della cittá di Gubbio, ad esempio, la perdita é passata dal 60% al 30% del volume immesso semplicemente sostituendo 2 km di condotte principali particolarmente deteriorate [Farley e Trow, 2003]. Bisogna ulteriormente sottolineare, quindi, che l attività di ricerca perdite deve essere calibrata sulla situazione reale e non esistono procedure ottimali di validità generale. 11

19 Capitolo 2 Metodologie di ricerca delle perdite d acqua La ricerca delle perdite all interno di condotte idriche in pressione è oggi una necessità. La consapevolezza, sempre più presente, che l acqua èunbene prezioso, ma finito, fa si che, in Italia e nel mondo, si dedichi particolare cura allo sviluppo delle tecnologie per la ricerca delle perdite. Le tecnologie di ricerca perdite (leak detection) possono essere classificate in base a vari criteri. Una classificazione, storicamente molto diffusa, è quella che distingue le metodologie di ricerca perdite dall interno e dall esterno. Le prime si riferiscono a quelle tecniche che analizzano le caratteristiche del fluido che viene convogliato in condotta, come ad esempio le tecniche di analisi di pressione, di bilancio di massa a cui si associa l elaborazione di modelli di simulazione del moto del fluido in regime permanente non stazionario. Le seconde, le metodologie di leak detection dall esterno, richiedono per la rilevazione della perdita l utilizzo di un sensore posto a contatto con la condotta e non con il fluido. Oggi si preferisce parlare di metodologie di ricerca perdite software based per le prime, e, hardware based, per le seconde [Scott et al., 2003]. 12

20 2.1. Sistemi di ricerca perdite software-based 2.1 Sistemi di ricerca perdite software-based La letteratura esistente mostra che il tipo principale di tecnologia di leak detection software-based è costituito dal monitoraggio delle condotte mediante implementazione di algoritmi sempre più aggiornati in grado di prevedere, con una bassa incertezza, il punto in cui ha luogo la perdita. Si parla di computational pipeline monitoring (CPM) [Monitoraggio delle condotte, 1995]. Tale tecnologia appartiene alla più ampia categoria dei sistemi SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), sistemi in grado di monitorare, processare, e trasmettere dati ad un controller. Il monitoraggio con sistema CPM utilizza alcuni algoritmi che aiutano il controller a riconoscere delle anomalie nel comportamento idraulico delle condotte. In caso di anomalia, il CPM invia altri dati al controller in modo che esso possa meglio investigare sulla natura di tale singolarità. Il CPM riceve i dati rilevati dagli strumenti presenti nella zona in cui si effettua la misura. I dati sono poi analizzati mediante confronto con i valori di grandezze caratteristiche ottenuti per mezzo di modelli di simulazione del moto in reti idrauliche a maglie. Si confrontano i valori rilevati con valori di soglia, che possono essere statici oppure dinamici, e con una serie di criteri stabiliti a priori. Tutto ciò permette, con una buona approssimazione, di stabilire se vi è oppure no una perdita [Metodologie di valutazione dei sistemi di ricerca perdite, 1995]. Una metodologia siffatta è realizzabile grazie all aiuto di sistemi di acquisizione dati e della loro successiva analisi mediante calcolo automatico che rendono possibile l analisi in tempo reale. La base delle metodologie CPM è, dunque, costituita dai software di acquisizione ed analisi dati. Pertanto, esse si differenziano, in base agli strumenti e algoritmi usati, in due grandi categorie: bilancio di volume odi massa, analisi in pressione e modellizzazione in tempo reale e in regime di moto non stazionario. 13

21 2.1.1 Bilancio di volume Bilancio di volume Il metodo di ricerca delle perdite, secondo un criterio di bilancio di volume [Rivista tecnica delle tecnologie di ricerca perdite], è basato sulla misura della differenza tra i volumi entranti e i volumi uscenti per un particolare segmento di condotta [Monitoraggio delle condotte, 1995]. Infatti, in un intervallo di tempo unitario, il volume del liquido entrante in una condotta può non essere uguale al volume uscente dalla stessa. Si assume che tale differenza non sia superiore ad un valore di soglia stabilito a priori secondo criteri opportuni. In particolare, se si definisce: Q in la portata entrante misurata; Q out la portata uscente misurata; Q m l errore medio nella misura della portata; V s l errore medio nella misura del volume, transitato in un intervallo di tempo t si ha: Q in Q out Q m + V s (2.0) t Nel caso in cui vi sia una perdita, la differenza tra il flusso entrante e il flusso uscente risulta maggiore dell errore medio complessivo di misura: Q in Q out > Q m + V s t (2.0) Paragonato agli altri metodi di leak detection, la tecnica del bilancio di volume èpiù indicata per identificare piccole perdite. Perciò, i sistemi software based che sfruttano il criterio del bilancio di volume sono tipicamente dotati anche di sistemi di rilevazione di perdite basati sull analisi in pressione. Il metodo di bilancio dei volumi necessita di misurazioni della portata. Il D.M. n.99 del 08/01/1997 (G.U. n.90 del 18/04/1997) riporta le caratteristiche del sistema IDROSAVE (vedi appendice B, par. 2.3). 14

22 2.1.2 Studio dei transitori di moto vario Studio dei transitori di moto vario L uso di prove eseguite in regime di moto vario allo scopo di individuare il punto in cui si verifica la perdita, risulta appropriata. [Brunone e Ferrante, 2001, Jönsson, 1999] Nel corso delle prove, piccole sovrapressioni, pari a pochi metri di colonna d acqua, risultano sufficienti e determinano un basso rischio di danneggiamento. Inoltre, è necessario il rilevamento dell andamento nel tempo della pressione (o segnale di pressione) in una sola sezione della condotta. L uso di questa tecnica ha dato risultati confortanti sia in laboratorio [Brunone e Ferrante, 2001] che in campo [Jönsson, 1999] sebbene essi possano considerarsi di natura preliminare. La metodologia di studio dei transitori di moto vario è basata sul fatto che le proprietà statistiche di una serie di misure di pressione o di velocità effettuate sono diverse prima e dopo che si verifichi la perdita. Il metodo localizza la perdita analizzando la misura di pressione in un generico punto della condotta. La metodologia impiega tecniche di analisi numerica e di indagine sperimentale al fine di analizzare nel dominio delle frequenze lo spettro del segnale di pressione misurato nella sezione terminale di condotte sane e danneggiate, e sviluppare e convalidare un modello di analisi di eventuali anomalie dello spettro del segnale attribuibili alla presenza di rotture nella condotta. Nel momento in cui le pareti di una condotta si rompono determinando una perdita, si osserva una diminuzione della pressione all interno della condotta. L onda di pressione prodotta si propaga con celerità pari alla velocità del suono in acqua allontanandosi dal luogo della perdita, in entrambe le direzioni. Il passaggio dell onda lungo la condotta è monitorato da strumenti, posti in modo spazialmente periodico, lungo la rete idrica. Se la perdita si trova al centro di un segmento di condotta, l onda da essa provocata, dovrebbe essere vista alle estremità opposte della condotta contemporameamente. Se, invece, la perdita èpiù vicina ad una estremità, l onda dovrebbe essere localizzata prima sull estremità della condotta più vicina alla perdita e dopo 15

23 2.2. Sistemi di ricerca perdite hardware-based su quella più lontana. Tale metodologia di leak detection è particolarmente indicata per identificare rapidamente perdite di grandi dimensioni. La precisione nella individuazione della posizione in cui si verifica la perdita dipende dalla accuratezza nella valutazione del tempo in cui la perturbazione che si propaga nella corrente sotto forma di onda elastica raggiunge la sezione di misura. Come si può intuire, il successo del metodo dipende molto dalla sensibilità degli strumenti utilizzati per le misure e dall assenza/presenza di possibili sorgenti che deformano l onda di pressione prodotta dalla rottura. A proposito delle possibili sorgenti di disturbo, si pensi che persino in laboratorio, che rappresenta un ambiente controllato, si è evidenziato che persino le curve presenti nello sviluppo del tratto di condotta esaminato possono rappresentare una fonte di disturbo che inficia l esatta localizzazione della perdita. 2.2 Sistemi di ricerca perdite hardware-based L attività di ricerca delle perdite si può suddividere in due fasi consequenziali: pre-localizzazione delle perdite, che consiste nella individuazione di aree critiche che presentano una elevata probabilità dipresenzadiperdite localizzazione vera e propria della perdita, che consiste nella individuazione del punto esatto della perdita all interno dell area critica stabilita. Con tali sistemi, la perdita è individuata da strumenti con una propria sensibilità, non è, quindi, possibile determinare il punto esatto in cui essa si verifica. Perciò, si intende per punto esatto una area di estensione ridotta in cui vi è una elevata probabilità che sia presente una perdita. Èevidente che la ricerca di una perdita richiede sempre anche la conoscenza precisa dell ubicazione degli elementi che costituiscono la rete idrica. 16

24 2.2.1 Metodologie di pre-localizzazione delle perdite Metodologie di pre-localizzazione delle perdite Le metodologie di pre-localizzazione delle perdite si suddividono essenzialmente in due categorie: quelle che sfruttano misure di portata notturne e quelle che sfruttano il rilievo dell emissione acustica delle perdite. Esiste, infine, una terza categoria, di seguito solo accennata, che sfrutta la capacità dell infrarosso di studiare la temperatura del suolo. Analisi di portata per distretto La pre-localizzazione delle perdite può essere eseguita mediante misure di portata effettuate in distretti della rete opportunamente isolati (si veda il district metering al paragrafo 1.1). In questi distretti si può valutare la differenza tra il volume immesso in rete e il volume registrato ottenendo una prima indicazione sulle performance della porzione di rete analizzata. Analisi più accurate possono essere eseguite mediante il cosidddetto step test che consiste nella manovra di regolazione delle valvole secondo sequenze opportunamente definite. Tipicamente le misure vengono eseguite nelle ore notturne. Anche al fine del sistema dell analisi di portata si può utilizzare il sistema Idrosave descritto in Appendice C). Rilievo dell emissione acustica delle perdite Nel caso di presenza di una perdita, si ha un emissione acustica, ma tale emissione avviene in un intervallo di frequenza non udibile dall uomo e molto prima che la conseguenza (la perdita) sia rilevata [ Il rilievo dell emissione acustica delle perdite può essere sia di tipo manuale che automatico. Il rilievo manuale, oggi poco usato, è, di solito, effettuato con degli strumenti elettronici trasportabili denominati geofoni mobili. Un operatore si muove lungo la direzione delle tubazioni e si pone in allarme quando l indicatore audio rileva un cambiamento delle condizioni acustiche della condotta, di solito, indicatore della presenza di una perdita. L individuazione della perdita si ha grazie al fatto che, il segnale acustico, emesso dalla sorgente 17

25 2.2.1 Metodologie di pre-localizzazione delle perdite (la perdita), diminuisce in intensità manmanochecisiallontanadaessa. Conoscendo le caratteristiche di attenuazione del segnale e il rumore tipico della perdita si riesce ad individuare la posizione orientativa della stessa. Tale metodologia di ricerca delle perdite è molto nota, ma oggi si tende a preferire metodologie di tipo automatico in modo da eliminare l errore dovuto alla sensibilità dell orecchio dell operatore. Il rilievo automatico dell emissione acustica è di solito effettuato utilizzando dei geofoni fissi. Il rilievo avviene tramite dei sensori acustici posti ad intervalli prestabiliti lungo le pareti esterne delle condotte. Lo strumento elettronico che rileva le perdite, amplifica il segnale acustico, lo filtra da rumori esterni e lo trasmette ad un computer. I metodi di ricerca perdite acustici sono rutenuti validi da molti utilizzatori per condotte metalliche. Non si può dire altrettanto per le condotte in plastica per cui l efficacia del metodo non è ben documentata. In tale tipo di condotte i problemi dovuti alla presenza di segnali di interferenza da traffico o altre sorgenti, sono accentuati. Inoltre, si presentano altri problemi come una eccessiva attenuazione del segnale o insufficiente sensibilità degli strumenti rilevatori. Investigando sulle caratteristiche acustiche del segnale di perdita, velocità di attenuazione e variazione della velocità di propagazione con la frequenza (dispersione) è possibile selezionare in modo adeguato gli strumenti di misura e scegliere delle procedure di misurazione appropriate [Hunaidi et al., 1999]. Un esempio di geofono fisso, oggi molto usato, è il cosiddetto sistema Permalog [Hans Brand s.r.l. Brochure del Permalog, 2005]. Si tratta di un sistema intelligente di logger acustici per l individuazione delle perdite idriche che presenta la possibilità di: trasmissione radio con raccolta dati automatica da autoveicolo o a piedi trasferimento a raggi infrarossi di informazioni su un sistema di acquisizione dati indicazione ottica diretta dello stato di perdita. Il sistema Permalog è costituito da varie unità di rilevazione della perdita 18

26 2.2.1 Metodologie di pre-localizzazione delle perdite dette Permalog 3, da un registratore e analizzatore di segnale detto Permalog Patroller. Le unità Permalog 3 sono dislocate lungo tutta la rete idrica. Tramite dei magneti tali unità sono facilmente installabili su fitting (saracinesche, idranti ecc.). Grazie al fatto che i Permalog hanno una batteria a lunga durata (oltre 10 anni) non é necessaria una frequente manutenzione. Ogni unità Permalog si adatta automaticamente all ambiente che la circonda in una sola giornata. Dopo la fase di auto set-up, essa invia un segnale indicante normali condizioni di rumorosità di fondo in assenza di perdita ed entra in allarme non appena individua una possibile perdita. Il rilievo dello stato dei Permalog 3 installati è effettuabile percorrendo la rete con un autoveicolo su cui è montato il Permalog Patroller che riceve, registra ed analizza i dati inviati dalle unità Permalog 3. Il Patroller capta le unità in allarme e individua così la posizione indicativa della perdita. Le informazioni, confermate acusticamente, sono visualizzate su un display LCD e memorizzate automaticamente. Con questo strumento i tecnici incaricati della localizzazione della perdita possono intervenire in modo mirato solo sulle aree sospette. Il rilievo dell emisssione acustica delle perdite utilizzando il sistema Permalog ha avuto molto successo in quanto si tratta di una metodologia che: opera indipendentemente dalle dimensioni, struttura e integrità dell area da controllare; è completamente non invasiva e non arreca alcun disagio all utenza; può operare in modo continuativo per dieci anni consentendo di mantenere bassi i livelli di perdita; consente il monitoraggio permanente di tutta o parte della rete di distribuzione. 19

27 2.2.2 Metodologie di localizzazione delle perdite Termografia Un altra metodologia di prelocalizzazione, poco usata ma che ha fornito risultati incoraggianti, è la termografia che consiste nell interpretazione di foto ad alta risoluzione effettuate con sensori aviotrasportati nel canale dell infrarosso. Si sceglie questo canale perchè a tali lunghezze d onda è possibile eseguire misure di temperatura. Infatti, le perdite sono individuate analizzando la differenza di temperatura tra le zone in cui vi sono le condotte e il suolo circostante dopo aver sovrapposto alla foto una mappa dell intera rete idrica in esame. Questa tecnica, però, presenta il limite di non essere applicabile in presenza di copertura nuvolosa in quanto, in tal caso, la radiazione elettro-magnetica emessa dal sensore nell infrarosso non riesce a raggiungere la superficie e quindi non rende disponibili informazioni sulla superficie stessa Metodologie di localizzazione delle perdite Sebbene le metodologie di pre-localizzazione siano piuttosto collaudate, non si può dire la stessa cosa per quelle di localizzazione vera e propria. Per questo motivo gli studi su questo tema sono molto ampi anche nel settore privato e numerose e più varie sono le metodologie di localizzazione. Si tratta, in genere, di cercare di circoscrivere sempre di più il raggio della cosiddetta zona di perdita. I risultati raggiunti in questo campo sono molto interessanti, ma necessitano di ulteriori studi ed approfondimenti perchè possano essere utilizzati su larga scala. Alcune delle metodologie di localizzazione sfruttano le vibrazioni e le emissioni sonore determinate dalla fuoriuscita dell acqua dalle tubazioni. Altre, di solito utilizzate per perdite cosiddette difficili (bassa pressione all interno della condotta, condotte non metalliche), sfruttano la tendenza di un gas ad espandersi e ad occupare tutto il volume disponibile. Ricerca elettro-acustica delle perdite Alcuni sistemi di ricerca elettroacustica delle perdite sono in grado di localizzare con sufficiente precisione il punto in cui si manifesta la perdita stes- 20

28 2.2.2 Metodologie di localizzazione delle perdite sa [Hans Brand s.r.l. Brochure dei sistemi elettroacustici, 2005]. Più esattamente, i suoni vengono registrati con aste in cui è applicato un microfono amplificatore. Tali aste sono poi appoggiate su componenti della rete (valvole, giunti ecc.) e avvicinandosi alla perdita, l intensità del rumore registrato aumenta. Per tubazioni non metalliche, l impiego dell asta non è sufficiente, ma occorre controllare la tubazione tra due punti di ascolto successivi con un apposito geofono. Anche in questo caso, l intensità del rumore registrata aumenta avvicinandosi alla perdita. La maggiore limitazione di questa tecnica è data dai disturbi provocati da altre sorgenti sonore presenti nell ambiente. Sono stati, quindi, sviluppati, registratori digitali in grado di filtrare e rimuovere i rumori rilevati. Correlatore Uno strumento di localizzazione delle perdite che sfrutta le emissioni acustiche è il correlatore che utilizza il principio della correlazione [Hans Brand s.r.l. Brochure del correlatore, 2005]. Nella correlazione cosiddetta classica due sensori vengono posizionati esternamente su aste di saracinesche, flange o altri elementi accessibili della tubazione oppure in colonna d acqua su idranti e valvole. Nel primo caso si parla di collegamento a secco nel secondo di collegamento bagnato. I sensori sono posizionati a monte e a valle di una sospetta zona di perdita individuata, precedentemente, con una tecnica di pre-localizzazione. Quando l acqua in pressione fuoriesce dalla rottura, la perdita crea del rumore che si propaga in entrambe le direzioni verso i sensori. La propagazione si manifesta come vibrazione lungo le pareti della condotta e come onda di pressione nella colonna d acqua. Per assegnati tipo di materiale e diametro della condotta, il rumore indotto dalla perdita viaggia a velocità costantee raggiunge per primo il sensore più vicino alla perdita. Il correlatore registra i tempi di arrivo del rumore di perdita ad ogni sensore ed è in grado di determinare la posizione della perdita calcolando la differenza tra i tempi di arrivo 21

29 2.2.2 Metodologie di localizzazione delle perdite del segnale ai sensori e conoscendo il tipo di condotta e la lunghezza del tracciato tra i sensori (Fig.2.1). A seconda delle circostanze, specifiche per tipo di condotta e zona di posizionamento, sono possibili precisioni centimetriche nella localizzazione delle perdite. Figura 2.1: schema per il calcolo dei tempi di correlazione I segnali dovuti al rumore di perdita sono normalmente analogici, ma sempre più spesso sono convertiti in segnali digitali direttamente dai sensori in modo da preservarne la qualità e l integrità. I segnali digitali permettono mediante l utilizzo di filtri di rumore, di separare il segnale utile dal segnale dei rumori parassiti dovuti all ambiente circostante. Nei convenzionali sistemi analogici, invece, la qualità del rumore di perdita degrada lungo il percorso man mano che il segnale viene processato atttraverso i sensori, i cavi, gli amplificatori e le radio. Grazie alla semplicità dielaborazionee alla presenza di una gamma dinamica 1 molto più ampia rispetto al segnale analogico e alla possibilità di analizzare il segnale in maniera più stabile e fedele, la tecnologia digitale sta avendo il sopravvento su quella analogica. Nel correlatore analogico, infatti, una prima distorsione del segnale avviene nel momento in cui il sensore pre-amplifica il segnale, seguita da interferenze di tipo elettrico all interno dei cavi di trasmissione, non perfettamente 1 Per gamma dinamica si intende la capacità di riprodurre livelli di intensità di segnale molto diversi tra loro. 22

30 2.2.2 Metodologie di localizzazione delle perdite coassiali. Successivi degradi del segnale avvengono nel momento in cui esso raggiunge il rice-trasmettitore in cui ha luogo un ulteriore amplificazione. Durante la trasmissione radio poi, vi sono nuove interferenze e perdite di dati. La conversione analogico/digitale avviene, quindi, su segnale ormai degradato quando esso raggiunge l unità centrale di elaborazione. Nel correlatore digitale, poichè la correlazione avviene direttamente nel sensore, non è necessario controllare l amplificazione e non vi sono possibilità di interferenza. I correlatori più recenti dispongono di sensori che possono essere programmati in modo tale da agire come registratori del livello di rumore, noise loggers. Intalmodoè possibile localizzare perdite idriche in situazioni difficili (ad es. in situazioni di bassa pressione). Per migliorare la precisione di rilevazione, alcuni sistemi di correlazione dispongono di una terza unità radio periferica e sfruttano il principio della tri-correlazione (si veda Fig.2.2). Figura 2.2: schema per il calcolo dei tempi di correlazione utilizzando il principio della tri-correlazione Tale principio consente di misurare automaticamente la velocità dipro- pagazione del rumore di perdita lungo la condotta, limitando l errore nella misura della velocità di propagazione del segnale. La determinazione esatta della velocità di propagazione riduce il rischio di scavi a vuoto. 23

31 2.2.2 Metodologie di localizzazione delle perdite L utilizzo di una terza unità radio rende possibile la realizzazione di correlazioni incrociate tra coppie diverse di correlatori in modo da confrontare i risultati singoli ed effettuare in modo più rapido analisi correlative a tappeto. Ad esempio, mentre si fa la correlazione tra due unità lungo una data tratta di condotta, si può spostare il correlatore non utilizzato sul successivo punto di ascolto. Gas Inj ection La tecnica di rilevazione delle perdite nota come gas injection sfrutta le tracce lasciate da opportuni gas al passaggio all interno di condotte idriche [Farley e Trow, 2003]. Tali metodologie sono poco utilizzate per la leak detection perché meglio sostituite dalle tecnologie più tradizionali descritte nei paragrafi precedenti ( si veda il parag.2.2.2). In ogni caso, per perdite difficili, ovvero per perdite che si verificano in condotte in cui vi è bassa pressione oppure in condotte di tipo non metallico, si preferisce usare la tecnica del gas injection. Dopo aver privato la condotta di acqua si inietta, all interno della stessa, del gas inerte. Il gas tende ad espandersi e a trovare una via di fuga, se esiste. Durante l espansione il gas lascia delle tracce che vengono rilevate con appositi strumenti. In questo modo è possibile rilevare anche background leakage (si veda parag.1.1). A causa dell equipaggiamento necessario per iniettare il gas e registrare la traccia del gas durante l espansione all interno delle condotte, tale tecnica èpiù difficile da mettere in pratica ed occorrono degli operai specializzati. I gas principalmente utilizzati per l impiego del gas injection sono esa-fluoruro di zolfo (SF 6 ), idrogeno industriale (gas composto per il 95% di azoto e per 5% di idrogeno) ed elio (He). Il gas tracciante è iniettato all interno della rete idrica a monte della sospettata perdita mediante un idrante. Dopodichè un operatore cammina lungo la rete con un sensore elettronico (il quale non richiede manutenzione particolare) che può essere un sensore a mano o una sonda superficiale. Di solito, la tecnica del gas inj ection, soprattutto quella che utilizza l idrogeno industriale, è utiliz- 24

32 2.3. Guida alla selezione delle tecniche di ricerca perdite zata quando la rete idrica ha un andamento poco lineare ed è difficoltoso applicare la tecnica di correlazione. 2.3 Guida alla selezione delle tecniche di ricerca perdite Come già più volte evidenziato, non esiste una tecnica di ricerca perdite che sia adatta per tutte le circostanze. Diversi aspetti ambientali e strutturali (rumorosità dell ambiente, materiali, ecc.) concorrono a determinare l applicabilità delle diverse tecniche. Ma tali aspetti, da soli, non sono sufficienti per eseguire una scelta che rispetti i requisiti di efficacia, sensibilità (ossia accuratezza, affidabilità, robustezza) e minimo costo. Solo l effettiva sperimentazione dei diversi sistemi eseguita nell area di indagine può consentire di individuare la tecnica più idonea al caso specifico o, quantomeno, alla tipologia di rete in esame. La tecnica più appropriata per la ricerca perdite deve essere individuata anche in relazione: 1. all estensione ed alla tipologia dell area in cui eseguire l indagine; 2. al livello di approfondimento dell indagine. Restano quindi individuate le tecniche più collaudate. Tuttavia, solo l uso prolungato nell area di indagine può consentire di individuare la tecnica più idonea al caso specifico. È realistico definire i criteri seguenti con cui valutare la suddetta idoneità: Applicabilità/Disponibilità Efficacia Sensibilità (accuratezza, affidabilità, attendibilità) Trasferibilità /Praticabilità Compatibilità /Requisiti del Sistema 25

33 2.3. Guida alla selezione delle tecniche di ricerca perdite Impatto sull ambiente Considerazioni locali Prestazioni reali Costo. Applicabilità / Disponibilità Il criterio di applicabilità serve semplicemente ad assicurare che una data tecnologia è stata progettata per l uso che se ne intende fare. La disponibilità si riferisce alla reperibilità commerciale delle attrezzature e delle conoscenze necessarie per il loro utilizzo. Efficacia L efficacia riguarda soprattutto le prestazioni di una tecnica di leakage detection ed è valutata in termini di sensibilità, accuratezza, affidabilità, robustezza. L analisi èresapiù complessa dal fatto che, se si focalizza l attenzione su uno di questi aspetti, generalmente si penalizzano gli altri. Ad esempio, un sistema ad elevata sensibilità può generare frequenti allarmi immotivati ossia avere una scarsa attendibilità. Molte tecnologie di ricerca perdite cercano di ottenere un soddisfacente compromesso tra le diverse esigenze. Sensibilità (accuratezza, affidabilità, attendibilità) La sensibilitàè definita come una misura dell entità della perdita che il sistema è capace di individuare in rapporto al tempo richiesto dallo stesso per fornire un allarme nel caso in cui quella perdita si verifichi. Il rapporto tra l entità della perdita e il tempo di risposta del sistema dipende dalla tecnica usata. Alcuni sistemi manifestano una forte correlazione tra queste due grandezze, in altri la correlazione è inesistente. Non èinutileosservareche non esistono sistemi in grado di individuare piccole perdite più rapidamente di quelle grandi. L accuratezza è una misura delle prestazioni della tecnica in relazione a parametri come la portata persa, il volume totale perso, la definizione 26

34 2.3. Guida alla selezione delle tecniche di ricerca perdite della posizione della perdita. Un sistema che stima questi parametri, con un accettabile grado di tolleranza, si può considerare accurato. L affidabilitàè una misura della capacità della tecnica di consentire decisioni accurate circa la possibile esistenza di una perdita su una condotta. Essa è direttamente correlata alla probabilità di individuare una perdita, posto che essa esista realmente, e alla probabilità di individuarne erroneamente una, posto che nessuna perdita si sia verificata. Un sistema che individua perdite erroneamente è ovviamente considerato meno affidabile. Più esattamente, per una tecnica di leak detection, l affidabilità può essere valutata in termini di frequenza e motivazione dei falsi allarmi riportati nonché di capacità di modificare le soglie di allarme. L attendibilitàè una misura della capacità della tecnica di continuare a funzionare e a fornire informazioni utili anche quando cambiano le condizioni di funzionamento del sistema. Una tecnica, cioè, è considerata robusta o attendibile se continua a svolgere le sue funzioni principali in condizioni non ideali. Più esattamente se essa è in grado di distinguere tra le normali condizioni operative e i reali eventi di perdita avendo la capacità di fare automaticamente degli aggiustamenti temporanei del sistema o di disabilitare alcune funzioni di ricerca perdite se necessario. Compatibilità /Requisiti del Sistema La compatibilità di una tecnica con uno specifico sistema di condotte, deve essere valutata anche in relazione ai requisiti operativi del sistema (strumentazione, frequenza di campionamento, capacità dell operatore ecc.) Impatto sull ambiente Tecnologie interne non determinano un impatto sull ambiente. Altre tecnologie, per la presenza di scavi, possono avere una influenza su aria, terra, acqua, e soprattutto possono avere un costo sociale. 27

35 2.3. Guida alla selezione delle tecniche di ricerca perdite Considerazioni locali Il clima e le modalità di funzionamento idraulico possono determinare situazioni di difficile praticabilità o di impraticabilità di una data tecnica. Ad esempio, climi rigidi possono impedire l accesso alle condotte per lunghi periodi o la presenza di impianti di pompaggio in sequenza può limitare l uso di alcune tecniche di ricerca perdite. Prestazioni reali La valutazione delle reali prestazioni di una tecnica è necessaria per validare le indicazioni fornite dalle aziende che forniscono i servizi e le attrezzature relativi. Costo La valutazione del costo delle tecnologie di leakage detection dipende fortemente dalla esatta configurazione della condotta. Di conseguenza, l analisi dei costi non può essere eseguita in termini assoluti. Ciò rende difficile una valutazione costi-benefici di validità generale. Alla luce della pratica corrente, le tecniche di ricerca perdite che si sono rivelate maggiormente rispondenti ai requisiti suddetti sono attualmente: Sistemi di pre-localizzazione tipo Permalog Sistemi di localizzazione mediante ricerca elettroacustica, correlatore per la localizzazione delle perdite, in versione standard o digitale. Questi sistemi vengono utilizzati unitamente a dispositivi per la localizzazione e la mappatura di cavi e tubazioni, noti come cercaservizi o georadar. 28