Indicatori di prestazione dei sistemi acquedottistici per la pianificazione in condizioni di carenza idrica

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1 Workshop La ricerca scientifica italiana nel campo dell idraulica: presentazione dei risultati dei progetti PRIN 2008 Università degli Studi di Ferrara, gennaio 2013 Indicatori di prestazione dei sistemi acquedottistici per la pianificazione in condizioni di carenza idrica Gianfranco Becciu Umberto Sanfilippo Politecnico di Milano DICA (ex DIIAR) Sez. CIMI

2 Argomenti della presentazione 2 1. Introduzione; 2. Influenza dei cambiamenti climatici sui sistemi acquedottistici; 3. Sensibilità delle risorse idriche al cambiamento climatico; 4. Indice di sensibilità al cambiamento climatico delle risorse idriche; 5. Un caso di studio: l acquedotto di Milano.

3 Introduzione 3 Negli ultimi anni si è registrato anche in Italia un incremento della frequenza e della durata degli eventi di siccità, persino in aree storicamente caratterizzate da abbondanza di risorse idriche. Il quadro generale è aggravato da fattori evolutivi quali: le forti dinamiche urbanistiche, le variazioni dell uso del suolo, la crescente obsolescenza delle infrastrutture di approvvigionamento. Possibili interventi per compensare lo squilibrio tra domanda e offerta: ridurre le perdite e gli sprechi, educare la popolazione al consumo responsabile delle risorse, gestione meglio i sistemi acquedottistici esistenti, pianificare e ripianificare l uso delle risorse idriche tenendo conto anche di fattori quali il possibile cambiamento climatico [Commissione Europea, 2008].

4 Introduzione 4 Negli ultimi decenni il problema della pianificazione e gestione ottimale delle risorse idriche, anche con riferimento specifico al cambiamento climatico, è stato oggetto di numerosi studi [Cohen, 1987; Frederick et al., 1997; Loucks e Van Beek, 2005; Brekke et al., 2011]. L approccio prevalente è quello della scelta ottimale tra diversi scenari mediante valutazione di funzioni obbiettivo in cui confluiscono numerosi parametri, sia del sistema che delle condizioni di vincolo. Tuttavia nelle fasi preliminari della pianificazione dell uso delle risorse idriche non è strettamente necessario effettuare un analisi dettagliata degli scenari evolutivi, soprattutto per quelli di lungo periodo, ma può essere sufficiente procedere ad una prima classificazione delle possibili scelte sulla base di criteri semplici e robusti [La Loggia e Mazzola, 1997; Coelho,1997; AWWA, 2004; Alegre et al., 2006; Becciu et al., 2009].

5 Introduzione 5 L obiettivo del lavoro svolto dalla Unità di Ricerca di Milano è stato quello di fornire una procedura di classificazione delle risorse idriche potenzialmente utilizzabili come fonti di approvvigionamento di un acquedotto civile idropotabile. La procedura proposta si basa sull analisi semplificata delle variazioni del rapporto tra disponibilità e domanda idrica in relazione a scenari di cambiamento climatico mediante un semplice modello di bilancio. In particolare si propone infine un indice quantitativo che consente di esprimere in modo sintetico la sensibilità al cambiamento climatico da parte delle diverse tipologie di risorse idriche. Questo indice potrà essere utilizzato, insieme ad altri indici di prestazione sistemici e ambientali, nelle fasi preliminari di pianificazione dei sistemi acquedottistici.

6 Influenza dei cambiamenti climatici sui sistemi acquedottistici 6 I principali fattori del cambiamento climatico, in particolare le variazioni delle precipitazioni e delle temperature, incidono su: processi di formazione dei deflussi superficiali, dinamiche di ricarica delle falde acquifere, fenomeni di accumulo della precipitazione solida nei nevai e nei ghiacciai, qualità dell acqua, in termini di: diluizione degli inquinanti. processi di auto depurazione nei corpi idrici, costi di potabilizzazione. Le alterazioni in essere nei regimi pluviometrici, pur potendo avere un effetto significativo già sulla gestione attuale, assumono importanza soprattutto per la pianificazione futura dei sistemi acquedottistici.

7 Sensibilità delle risorse idriche al cambiamento climatico 7 I principali requisiti che deve avere una risorsa idrica per essere idonea all approvvigionamento di un sistema acquedottistico sono: disponibilità (in termini di volumi e di flussi), affidabilità, rinnovabilità, qualità biochimica. L instaurarsi di eventuali trend di cambiamento climatico, in particolare se associati a una riduzione della precipitazione e a un aumento dell evapotraspirazione, può influire su tutti e quattro i requisiti d idoneità della risorsa idrica. Tuttavia, corpi idrici diversi possono essere più o meno sensibili, in termini di riduzione nel tempo delle quantità idriche prelevabili, a questi scenari di cambiamento, in relazione principalmente ai meccanismi di ricarica e ai volumi iniziali della risorsa stessa.

8 Sensibilità delle risorse idriche al cambiamento climatico 8 Le tipologie di risorsa idrica analizzate sono: falde acquifere, sorgenti, corsi d acqua superficiali, laghi naturali e artificiali. Non è stato preso in considerazione il mare, perché le sue caratteristiche in termini di disponibilità (anche dal punto di vista della qualità delle acque, data la natura dei processi di desalinizzazione e di potabilizzazione occorrenti per tale tipo di risorsa) sono tali da far ritenere trascurabili ai fini dell approvvigionamento di sistemi acquedottistici gli effetti di eventuali cambiamenti climatici.

9 Sensibilità delle risorse idriche al cambiamento climatico 9 Fattori descrittivi generali sui quali focalizzare una quantificazione euristica complessiva di una risorsa idrica: falde acquifere: estensione dell area di ricarica; impermeabilità media dei terreni dell area di ricarica; tipo ed entità dell eventuale irrigazione dei terreni; entità dell evapotraspirazione; interscambio idrico con la rete idrica superficiale; interscambio con le altre falde. sorgenti: estensione dell area di ricarica; impermeabilità media dei terreni dell area di ricarica; entità dell evapotraspirazione.

10 Sensibilità delle risorse idriche al cambiamento climatico 10 Fattori descrittivi generali sui quali focalizzare una quantificazione euristica complessiva di una risorsa idrica: corsi d acqua superficiali: area del bacino idrografico a monte della sezione di presa; pendenza media del bacino idrografico; impermeabilità superficiale media del bacino idrografico. laghi naturali e artificiali: volume dinamico; superficie dello specchio liquido; interscambio con le falde di valle; area del bacino di alimentazione a monte; entità dell evaporazione e dell evapotraspirazione.

11 Indice di sensibilità al cambiamento climatico delle risorse idriche 11 Per definire l indice di sensibilità al cambiamento climatico delle risorse idriche si è proposta la seguente formulazione moltiplicativa, struttura questa spesso usata per gli indicatori di prestazione dei sistemi idrici [Döll, 2009; Alegre et al., 2006; Coelho, 1997; AWWA, 2004] perché consente di esaltare l influenza di ciascun fattore componente nel caso abbia un valore basso. In particolare: dove: S CC = S A S D S CC S A S D = fattore di sensibilità al cambiamento climatico, = componente del fattore di sensibilità al cambiamento climatico relativa alla disponibilità; = componente del fattore di sensibilità al cambiamento climatico relativa alla domanda. I tre fattori S CC, S A, S D possono variare teoricamente tra 0 (nessuna sensibilità) e 1 (estrema sensibilità).

12 Indice di sensibilità al cambiamento climatico delle risorse idriche 12 Il parametro S A può essere espresso in funzione di altri due termini distinti, entrambi pure variabili tra 0 e 1, che sono: l impatto del cambiamento climatico sulla disponibilità quantitativa I CC, la sensibilità dei parametri di qualità S Q. La relazione che si propone per stimare S A è quindi la seguente: S A = S Q + (1 S Q ) I CC In tal modo l importanza del fattore I CC, che esprime in modo sintetico l impatto sulla disponibilità quantitativa, è crescente al diminuire della sensibilità della qualità dell acqua al cambiamento espressa da S Q. In particolare I CC può essere a sua volta quantificato in base al volume della disponibilità idrica di riferimento attuale DI ref e di quella modificata per il futuro Di mod, secondo la relazione: I CC = 1 DI mod DI ref

13 Indice di sensibilità al cambiamento climatico delle risorse idriche 13 Per quanto concerne inoltre l indicatore S Q, una sua stima può essere ottenuta attraverso l incremento c del costo del trattamento di potabilizzazione per unità di volume dell acqua conseguente al peggioramento dei parametri di qualità alla fonte rispetto al valore di riferimento attuale c ref di tale costo. In linea di principio, l influenza del termine c su S Q dev essere più marcata per valori relativamente contenuti di quest ultimo. Sembra quindi ragionevole considerare una forma di crescita esponenziale che, partendo da S Q = 0 per c =0, tenda a 1 asintoticamente: S Q = 1 exp( c/c ref )

14 Indice di sensibilità al cambiamento climatico delle risorse idriche 14 Il fattore S D, ispirandosi all approccio suggerito da Döll [2009], può essere stimato come valore medio fra tre indicatori di sensibilità al cambiamento, variabili tra 0 e 1: SSI = fattore di sensibilità alla scarsità idrica della popolazione, espresso come rapporto tra volume totale prelevato mediamente e disponibilità media dell insieme delle risorse idriche utilizzate, DR = fattore di dipendenza, espresso come rapporto tra volume prelevato dalla specifica risorsa idrica e volume prelevato complessivamente da tutte le risorse idriche; CA = fattore di capacità generale di adattamento al cambiamento, posto uguale al HDI (Human Development Index) del Paese [UNDP, 2008]. Poiché, come è intuibile, questi tre indicatori non possono assumere mai valori nulli, non può assumerli neanche SD.

15 Un caso di studio: l acquedotto di Milano 15 La procedura di valutazione esposta è stata applicata al caso di studio dell acquedotto di Milano. Questo sistema idrico è alimentato interamente dalla falda sotterranea delimitata dalle cerchie moreniche inferiori a nord (poco a valle dei laghi Maggiore, di Varese e di Como), dal fiume Po a sud, dal fiume Ticino a ovest e dal fiume Adda a est. La sua estensione complessiva è di circa 4315 km 2. Per i dati sulle statistiche idrologiche e i volumi prelevati dalla falda si è fatto riferimento alle informazioni disponibili nell Annuario Statistico Regionale della Lombardia, nei Piani d Ambito degli ATO lombardi e nel PTUA della Regione Lombardia. Si è ipotizzato un possibile scenario di cambiamento climatico che comporti una diminuzione del 10% sia delle precipitazioni medie annue che dei deflussi, un aumento dell evapotraspirazione del 10% e un aumento della deviazione standard del 5% sia della precipitazione che dell evapotraspirazione.

16 Un caso di studio: l acquedotto di Milano 16 La procedura di valutazione esposta è stata applicata al caso di studio dell acquedotto di Milano. Questo sistema idrico è alimentato interamente dalla falda sotterranea delimitata dalle cerchie moreniche inferiori a nord (poco a valle dei laghi Maggiore, di Varese e di Como), dal fiume Po a sud, dal fiume Ticino a ovest e dal fiume Adda a est. La sua estensione complessiva è di circa 4315 km 2. Per i dati sulle statistiche idrologiche e i volumi prelevati dalla falda si è fatto riferimento alle informazioni disponibili nell Annuario Statistico Regionale della Lombardia, nei Piani d Ambito degli ATO lombardi e nel PTUA della Regione Lombardia. Si è ipotizzato un possibile scenario di cambiamento climatico che comporti una diminuzione del 10% sia delle precipitazioni medie annue che dei deflussi, un aumento dell evapotraspirazione del 10% e un aumento della deviazione standard del 5% sia della precipitazione che dell evapotraspirazione.

17 Un caso di studio: l acquedotto di Milano 17 Per l indicatore di qualità, si è assunto che la variazione di costo conseguente alle variazioni di qualità c/c ref sia del 20%. Si ha inoltre: SSI = DR = CA = volume prelevato mediamente / disponibilità media dell insieme delle risorse idriche = 0.335; fattore di dipendenza, espresso come il rapporto tra il volume prelevato dalla specifica risorsa idrica e il volume prelevato complessivamente da tutte le risorse idriche = 100% = 1; fattore di capacità generale di adattamento al cambiamento, posto uguale al HDI (Human Development Index) del Paese [UNDP, 2011] = (Italia). Applicando le formule prima esposte si è ottenuto: S A = 0.604; S D = 0.736; S CC = (media sensibilità al cambiamento climatico).

18 18 Grazie per l attenzione