METODI PER LA VALUTAZIONE E LA GESTIONE DELLE PERDITE IDRICHE L APPROCCIO DELLA WATER LOSS TASK FORCE DELL INTERNATIONAL WATER ASSOCIATION (IWA)

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1 METODI PER LA VALUTAZIONE E LA GESTIONE DELLE PERDITE IDRICHE L APPROCCIO DELLA WATER LOSS TASK FORCE DELL INTERNATIONAL WATER ASSOCIATION (IWA) M. Fantozzi 1 (1) Ing. Marco Fantozzi - Membro della Water Loss Task Force dell International Water Association. SOMMARIO La crescente attenzione verso un utilizzo attento, sostenibile ed economicamente efficiente della risorsa idrica, in particolare in periodi di carenza di disponibilità per siccità, rende di primaria importanza il tema delle perdite idriche e della gestione efficiente dei sistemi idrici. Una rete di distribuzione senza perdite è un obiettivo irrealizzabile sia tecnicamente che economicamente, ma ogni Gestore dovrebbe conoscere il livello di efficienza del proprio sistema idrico, calcolare il livello di perdite economicamente ammissibile ed attuare un programma di gestione della rete idrica che consenta di raggiungere e mantenere i livelli di efficienza ottimali. Nella presente relazione viene presentato un approccio pratico per il calcolo ed il confronto delle perdite reali della rete di distribuzione in base alla metodologia predisposta dalla Water Loss Task Force dell International Water Association (IWA). Questa analisi è fondamentale per la scelta ed il conseguente utilizzo delle opzioni per la gestione delle perdite che risultano essere tecnicamente più appropriate ed economicamente più convenienti per il singolo acquedotto. 1 INTRODUZIONE I problemi connessi alla presenza delle perdite non sono solamente dovuti al fatto che non tutta l acqua immessa in rete non raggiunge i clienti ma sono anche dovuti alla mancanza di definizioni standard delle perdite ed al fatto che non tutta l acqua consumata viene pagata. E molto importante disporre di una terminologia standard, soprattutto per poter confrontare dati di realtà diverse a livello internazionale. Un Approccio Pratico ed Efficace alla Gestione delle Perdite deve includere necessariamente: la corretta definizione del volume annuo delle Perdite, preferibilmente con i margini di confidenza del valore stesso la selezione e l uso di adeguati indicatori di performance; la definizione efficace delle diverse opzioni di gestione delle perdite in modo da ottenere il maggiore beneficio possibile al minor costo. Per la corretta definizione del volume annuo delle Perdite è fondamentale che vengano misurati in modo affidabile tutti i volumi di acqua ed in particolare il volume di acqua immesso in rete. Sebbene l argomento delle Perdite Apparenti, costituite da Consumi Non Autorizzati e da tutti i tipi di Errori di Misura, non viene trattato in modo dettagliato nel presente documento, si vuole evidenziare l importanza di questa componente del Bilancio Idrico per un efficiente gestione della rete idrica. Un organizzazione efficiente dovrebbe dare la necessaria importanza alla scelta ed installazione corretta dei contatori, all affidabilità dei misuratori alle basse portate, alla manutenzione e sostituzione programmata dei misuratori e ad un adeguata gestione dei dati di misura. E inoltre importante documentare e stimare gli usi autorizzati, ma non fatturati, normalmente relativi ad usi antincendio, lavaggio di tubazioni e fognature, pulizia stradale, innaffio giardini ecc.. E spesso possibile contenere consumi di questo tipo, spesso eccessivi rispetto a quanto realmente necessario a garantire il servizio richiesto. 2 IL BILANCIO IDRICO PROPOSTO DALL INTERNATIONAL WATER ASSOCIATION (IWA) PER IL CALCOLO DELLE PERDITE REALI Tra le diverse metodologie (Bilancio Idrico, Analisi delle Portate Notturne e Component Analysis) che possono essere utilizzate per il calcolo delle perdite reali, il Bilancio Idrico (Tecnica Top down) è il metodo più ampiamente utilizzato. La definizione del Bilancio Idrico è un attività preliminare all analisi delle perdite. L esigenza di una terminologia comune che superasse la grande varietà di definizioni e format presenti nei diversi paesi ha portato l IWA a produrre un Approccio Standard al Calcolo del Bilancio Idrico (Figura 1), ed alla definizione di tutti i termini utilizzati come riportato nel documento: IWA the Blue Pages Losses from Water Supply Systems October 2.

2 2 autore. M. Fantozzi Authorised Billed Authorised Billed Metered (including water exported) Billed Unmetered Revenue Water System Input Volume Water Losses Unbilled Authorised Apparent Losses Real Losses Unbilled Metered Unbilled Unmetered Unauthorised Metering Inaccuracies Leakage on Transmission and/or Distribution Mains Leakage and Overflows at Utility s Storage Tanks Leakage on Service Connections up to point of Customer metering Non-Revenue Water (NRW) Figura 1. Componenti del Bilancio Idrico proposto dall IWA Le definizioni sintetiche dei principali componenti del Bilancio Idrico proposto dall IWA sono i seguenti: System Input Volume (Immesso in rete) è il volume annuo immesso in rete Authorised (Consumi Autorizzati) è il volume annuo misurato e/o non misurato prelevato dai clienti autorizzati. Comprende l acqua esportata verso altri sistemi idrici, l acqua utilizzata dal Gestore per motivi di servizio e le perdite a valle dei contatori dei clienti. Non-Revenue Water (NRW) (Acqua non Fatturata) è la differenza tra System Input Volume (Immesso in rete) e Billed Authorised (Consumi Autorizzati Fatturati). NRW è costituito da Unbilled Authorised (normalmente una componente minore del Bilancio Idrico) e da Water Losses (Perdite Idriche). Water Losses è la differenza tra System Input Volume (Immesso in rete) e Authorised (Consumi Autorizzati), ed è costituito da Apparent Losses (Perdite Apparenti) e Real Losses (Perdite Reali) Apparent Losses è costituito da Unauthorised (Consumi Non Autorizzati) e da tutti i tipi di Metering Inaccuracies (Errori di Misura) Real Losses (Perdite Reali) è il volume perso da tutti i tipi di perdita della rete, compresi i serbatoi e le prese fino al contatore del cliente. Il Bilancio Idrico dell IWA è già stato adottato da numerose organizzazioni nazionali (Australia, Germania, Malta, Sud Africa ecc.) e da molti Enti Gestori e Consulenti in Brasile, Canada, Malesia, Nuova Zelanda e USA. Il fatto che in Italia esiste un modello standard di Bilancio Idrico secondo le indicazioni del Decreto del Ministero dei Lavori Pubblici 8 gennaio 1997, n. 99 Regolamento sui criteri e sul metodo in base ai quali valutare le perdite degli acquedotti e delle fognature, consente di ri-allocare alcuni dei dati necessari nell approccio standard dell IWA e di calcolare il Bilancio Idrico ed i Performance Indicators dell IWA. In caso di futura revisione degli standard a livello nazionale sarebbe auspicabile si giungesse ad uniformarsi agli standard internazionali. Poiché tutti i dati misurati o stimati che vengono utilizzati per calcolare il Bilancio Idrico sono soggetti ad errori ed imprecisioni è importante la verifica dell affidabilità dei calcoli eseguiti ed in particolare è necessario cercare di calcolare il livello di precisione dei valori calcolati. Esistono ora software che, a fronte della disponibilità di dati con limiti di confidenza noti, sono in grado di calcolare automaticamente il valore di NRW (Acqua non Fatturata) e di Real Losses (Perdite Reali) con limiti di confidenza del 95%. Va da sé che calcoli eseguiti con dati poco precisi portano a risultati caratterizzati da più scarsi limiti di confidenza. Per migliorare l affidabilità dei valori calcolati di NRW e Perdite Reali è quindi necessario migliorare la precisione dei dati misurati o stimati, in particolare per quelli che sono caratterizzati da valori più elevati di varianza. Il Bilancio Idrico non fornisce peraltro indicazioni sulle singole componenti delle Perdite Reali ne consente di capire come le stesse si modificano a seguito delle metodiche di riduzione delle perdite attuate dall Ente Gestore. Inoltre il fatto che il Bilancio Idrico si basa sui dati dell anno precedente non consente di dare indicazioni per un intervento rapido all evolversi della situazione delle perdite. A completamento dell utilizzo del Bilancio Idrico, per ottenere una più approfondita comprensione delle perdite reali e del loro andamento nel tempo si possono applicare il metodo di Compo-

3 metodi per la valutazione e la gestione delle perdite idriche 3 nent Analysis e la tecnica di Analisi delle portate notturne di seguito descritti. 2.1 Component Analysis Questo metodo consente ad un gestore di definire gli standard di servizio relativamente alle perdite, tenendo in considerazione anche l influenza della pressione. Il metodo noto come Background and Bursts Estimates (BABE) sviluppato nel 1993 e dimostrato da Lambert, A. & Morrison, J., (1996) prevede la classificazione delle perdite in componenti come di seguito riportato: Perdite di fondo (background losses) da piccole perdite da giunti e derivazioni difficilmente individuabili e normalmente caratterizzate da basse portate e lunga durata; Perdite segnalate, normalmente caratterizzate da alte portate e breve durata; Perdite non segnalate, normalmente caratterizzate da portate medie e durata che dipende dal tipo di controllo delle perdite utilizzato. Con il metodo BABE è possibile calcolare le perdite reali sulla base della disponibilità, per ognuna delle suddette tipologie, dei seguenti dati: numero di nuove perdite riparate ogni anno per tipologia; durata media dei diverse tipi di perdita, considerando la vita della perdita come costituita dalle componenti: tempo di conoscenza, tempo di localizzazione e tempo di riparazione. Queste componenti temporali differiscono anche significativamente per le diverse tipologie di perdita; portata tipica per tipologia di perdita. 2.2 Analisi delle Portate Notturne Come detto il Bilancio Idrico non consente di capire come le perdite si modificano a seguito delle metodiche di riduzione delle perdite attuate dall Ente Gestore. Una più aggiornata conoscenza dell evolversi della situazione delle perdite reali può essere ottenuta con la misura delle portate notturne in ingresso a singole zone di rete. La misura delle portate notturne in ingresso a zone di rete è un metodo molto efficace per verificare la presenza di perdite. Il metodo (Tecnica Bottom Up) consente anche di calcolare il Volume Annuo di Perdite Reali come differenza tra la portata minima notturna (Minimum Night Flow MNF) e la portata calcolata relativa ai consumi della zona misurata, a condizione che la portata di ogni zona venga misurata in modo continuo e che venga tenuta in considerazione la variazione della pressione media all interno di ogni zona nell arco delle 24 ore. Il metodo viene normalmente utilizzato in reti suddivise in distretti. In questo modo è possibile misurare e monitorare il livello di perdita ed è possibile intervenire rapidamente all evolversi della situazione delle perdite. 3 INDICATORI TECNICI DI PERFORMANCE PER LE PERDITE REALI In molti paesi del mondo, ed anche in Italia, si è tradizionalmente utilizzato come indicatore tecnico di performance per le Perdite Reali il volume di acqua persa rispetto al volume di acqua immessa in rete espresso in termini percentuali. Questo indicatore peraltro, per quanto di semplice utilizzo, non tiene in considerazione una serie di parametri che risultano essere di grande importanza per una precisa valutazione del problema delle perdite nel proprio specifico acquedotto e per la definizione della strategia e delle tecnologie più appropriate per la riduzione/gestione efficace delle perdite reali. Questi parametri da considerare comprendono: il numero di prese, la lunghezza della rete di distribuzione, la lunghezza della prese tra il confine di proprietà/limite stradale e il contatore del cliente, la percentuale di tempo durante l anno in cui la rete è in pressione, la pressione operativa media, le condizioni delle condotte, i materiali che le costituiscono, la frequenza delle rotture, ecc.. Inoltre differenze nei valori dei consumi in rete influenzano fortemente il valore delle Perdite Reali espresso come percentuale del volume immesso in rete. Per questi motivi lo Studio condotto dal Gruppo di Lavoro dell IWA sui Performance Indicators e sulla terminologia da utilizzare per le Perdite Idriche ritiene che sia inopportuno utilizzare come indicatore delle Perdite Reali il valore percentuale del volume di acqua immesso in rete. La figura 2 mostra come le Perdite Reali (Asse delle Y), espresse come valore percentuale del volume di acqua immesso in rete, variano al variare dei consumi per presa (Asse delle X), espressi in Litri/presa al giorno, e delle Perdite Reali, espresse in Litri/presa al giorno.

4 4 autore. M. Fantozzi Figura 2. Perdite Reali espresse come valore percentuale del volume di acqua immesso in rete in relazione al valore dei consumi per presa, espressi in litri/presa al giorno, per diversi valori delle Perdite Reali, espresse in litri/presa al giorno (IWA the Blue Pages 2). Per esempio ad un valore di perdita reale pari a 1 Litri/presa al giorno (valore rappresentativo di un buon standard tecnico) corrispondono, a seconda dei valori di consumo per presa al giorno, valori di perdita in percentuale sull immesso in rete variabili da un minimo pari al 29% in caso di consumi pari a 25 Litri/presa al giorno (valore riscontrabile in aree rurali) ad un massimo pari a 1,2% in caso di consumi pari a 8 Litri/presa al giorno (valore riscontrabile in aree metropolitane). La Water Loss Task Force dell International Water Association (IWA) consiglia quindi, sulla base di esperienze maturate in numerosi acquedotti in varie parti del mondo di utilizzare indicatori che rapportino il volume annuo delle Perdite Reali al numero di prese e che consentano di tenere in considerazione il tempo per il quale la rete è in pressione. In particolare viene raccomandato di rapportare le Perdite Reali Annuali (Current Annual Real Losses (CARL)) al numero di prese e al numero di giorni in cui la rete è in pressione. Nella tabella seguente (figura 3) sono riportati i Performance Indicators per le Perdite Reali e Non-Revenue Water raccomandati dall IWA, come riportato da Alegre, H., e al. 2. Livello Funzione dell Indicatore Note 1 - Livello Base Finanziario: NRW espresso come % del Può essere facilmente calcolato dal Bilancio Idrico. volume immesso in rete. 3 - Livello Dettagliato Finanziario: NRW espresso come % del Considera diversi tipi di costi per le componenti del costo annuale di esercizio del sistema NRW. idrico. 1 - Livello Base Inefficienza dell uso dell acqua: Perdite Non adatto per definire il grado di efficienza di sistemi Reali come % dell immesso in rete. 1 - Livello Base Operativo: Perdite Reali come volume perso per presa al giorno, quando il sistema è in pressione. 3 - Livello Dettagliato Operativo: Perdite Reali espresse con l ILI (indice adimensionale). di distribuzione. E il più efficace PI di tipo tradizionale. E il rapporto tra l attuale volume annuo di perdite reali CARL (Current Annual Real Losses) e la perdita reale fisiologica UARL (Unavoidable Annual Real Losses). Figura 3. Performance Indicators per le Perdite Reali e Non-Revenue Water (IWA). Nella tabella i PI sono distinti in diversi livelli con obiettivi specifici: Livello 1 (base): fornire una valutazione generale del grado di efficienza del sistema idrico; Livello 2 (intermedio): fornire un approfondimento del livello di valutazione fornito dai PI di livello 1; Livello 3 (dettagliato): fornire una valutazione dettagliata del grado di efficienza del sistema idrico, pur mantenendo rilevanza a livello gestionale.

5 metodi per la valutazione e la gestione delle perdite idriche 5 4 L UNAVOIDABLE ANNUAL REAL LOSSES (UARL) (PERDITE REALI FISIOLOGICHE ) E L INFRASTRUCTURE LEAKAGE INDEX (ILI) Le Perdite Reali non possono essere eliminate completamente ma potranno essere ridotte al massimo fino al Livello di Perdita Reale Fisiologico (Unavoidable Annual Real Losses (UARL)), che rappresenta il valore minimo di perdita reale tecnicamente raggiungibile in sistemi idrici gestiti e manutenuti in modo efficiente. Il valore di UARL per ogni specifico sistema idrico può essere calcolato usando la metodologia sviluppata dal Water Loss Task Force dell IWA come riportatto da IWA the Blue Pages, 2. I dati necessari per il calcolo dell UARL sono i seguenti: Il numero di prese (Nc); La lunghezza della rete di distribuzione in km (Lm); La lunghezza della prese tra il confine di proprietà/limite stradale e il contatore del cliente in km (Lp); La pressione operativa media (P). La formula generale dell UARL (1) espressa in litri/giorno, quando la rete è in pressione, risulta essere la seguente: UARL = (18 x Lm +,8 x Nc + 25 x Lp) x P (1) L equazione (1) è stata applicata e validata su reti caratterizzate da una pressione superiore a 25 metri, un numero di prese superiore a 5 ed una densità di prese (Nc/Lm) superiore a 2 per km. L Indicatore di Perdita non dimensionale ILI (Infrastructure Leakage Index), di cui all equazione (2), è il rapporto tra le Perdite Reali Annuali (Current Annual Real Losses (CARL)) e le Perdite Reali Fisiologiche Annuali (Unavoidable Annual Real Losses (UARL)). L ILI rappresenta un utile Indicatore delle performance di un sistema idrico ed un efficace strumento diagnostico. ILI = CARL / UARL (2) L ILI misura l efficacia delle attività di Gestione delle Perdite Reali (Gestione di Tubazioni e Assets, Gestione della Pressione, Rapidità e Qualità delle riparazioni, Controllo Attivo delle Perdite) eseguite sulle infrastrutture idriche gestite ad un definito livello di pressione. Ad esempio un valore dell indice ILI pari a circa 3 significa che: Le Perdite Reali della rete in esame sono circa tre volte superiori alle Perdite Fisiologiche di un sistema con la stessa estensione di rete, numero di prese, posizione dei contatori e regime di pressione; Esiste la possibilità tecnica di ridurre fino ad un terzo il livello delle Perdite Reali a parità di pressione; Ulteriori variazioni del livello di Perdita Reale possono essere ottenute al variare del regime di pressione. Nella figura 4 vengono riportati i valori dell ILI (Infrastructure Leakage Index) di 27 sistemi idrici di 19 Nazioni. La media risulta essere pari a 4,38 mentre la mediana risulta essere pari a 2,94. ILI Mediana= 2,94 Media =4, Figura 4. Valori dell Infrastructure Leakage Index di 27 sistemi idrici di 19 Nazioni. Fonte: Applying the IWA Approach to Water Loss Performance Indicators. 22 IWA Congress.

6 6 autore. M. Fantozzi Qual è quindi il valore di ILI obiettivo che il singolo gestore dovrebbe tentare di raggiungere? Un valore dell indice ILI vicino ad 1, rappresenta un elevato livello di gestione operativa e trova giustificazione economica quando i costi marginali dell acqua sono particolarmente elevati o in caso di scarsità di acqua o di un insieme delle due motivazioni. Valori superiori possono essere accettati se la risorsa idrica è abbondante e poco costosa. Il Livello Economico di Perdita (Economic Level of Leakage ELL) viene definito come il livello di perdita che è economicamente opportuno raggiungere. In teoria l ELL corrisponde al livello di perdita per il quale le attività di riduzione delle perdite eguagliano il costo dell acqua recuperata con la riduzione delle perdite. Per la maggior parte dei sistemi idrici questo valore corrisponde ad un valore di ILI compreso tra quello corrispondente all attuale valore della perdita reale (CARL) e quello corrispondente all UARL. In attesa che venga definita ed accettata una modalità standard per calcolare l ELL un gestore dovrebbe fare un analisi economica che non includa solamente i costi di breve termine ma che consideri anche i costi ambientali e sociali. Comunque è possibile fare riferimento ad una tabella predisposta dall IWA (figura 5), che consente, anche a gestori che non hanno definito un preciso valore di ELL, di definire un valore di ILI da raggiungere a lungo termine. Valore Obiettivo dell ILI Considerazioni sulla disponibilità della risorsa idrica 1, 3, Disponibilità molto limitata della Risorsa idrica difficilmente aumentabile. 3, 5, Si ritiene la disponibilità della Risorsa idrica sufficiente alle richieste di lungo termine, ma interventi di riduzione delle perdite e di conservazione dell acqua vengono implementati. 5, 8, Ampia disponibilità della risorsa idrica, qualitativamente elevata e di facile acquisizione. Maggiore di 8, Considerazioni Operative Gestire il sistema con livelli di perdita superiore significherebbe incrementare le infrastrutture e/o reperire altre fonti di approvvigionamento per soddisfare la domanda idrica. Le infrastrutture sono in grado di far fronte alle previsioni di domanda a lungo termine e vengono utilizzati adeguati sistemi di controllo delle perdite. Integrità ed affidabilità del sistema idrico che lo rende relativamente immune da carenze di fornitura. Considerazioni Finanziarie La risorsa idrica è costosa da produrre o acquistare e possibilità di aumentare i ricavi con l aumento delle tariffe. E possibile produrre o acquistare l acqua a importi ragionevoli e le tariffe possono essere adeguate nel tempo in modo accettabile ai clienti. La risorsa idrica è poco costosa da produrre o acquista e le tariffe sono basse. Sebbene considerazioni operative o finanziarie possono consentire valori di ILI superiori a 8, un tale livello di perdita è indicativo di un uso inefficiente dell acqua. Si sconsiglia di fissare obiettivi di perdita superiori ad 8 se non in una fase transitoria di riduzione da valori più elevati per tendere ad un valore obiettivo finale minore di 8,. Figura 5. Linee guida di carattere generale per la definizione di un valore obiettivo di ILI (in alternativa alla determinazione di un livello economico di perdita ELL specifico del singolo sistema idrico). Fonte: Awwa Water Loss Control Committee CONCLUSIONI L approccio proposto dall IWA Water Loss Task Force risulta essere maggiormente appropriato per la valutazione delle Perdite Reali nelle reti idriche in quanto, rispetto agli indicatori tradizionali, tiene in considerazione i parametri più significativi che caratterizzano ogni sistema idrico, quali la lunghezza della rete, il numero delle prese, la loro posizione e la pressione operativa media. Il fatto di separare l influenza della pressione dai fattori infrastrutturali consente di effettuare un analisi tecnica più accurata della rete idrica senza un eccessivo sforzo aggiuntivo rispetto agli indicatori tradizionali. Inoltre questo approccio consente un più preciso confronto delle prestazioni tra diversi sistemi idrici a livello nazionale ed internazionale ed una comparazione del grado di efficienza di diverse zone dello stesso sistema idrico. L utilizzo combinato degli indicatori UARL, ILI e del Bilancio Idrico standard dell IWA con limiti di confidenza del 95% offre la possibilità di definire gli obiettivi di efficienza da perseguire sul proprio sistema idrico e di valutare al meglio le possibilità e le alternative tecniche per una efficace gestione delle perdite.

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