Posizionamento ottimale di sensori per il monitoraggio degli inquinanti nelle reti idriche

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1 Posizionamento ottimale di sensori per il monitoraggio degli inquinanti nelle reti idriche Fulvio BOANO Politecnico di Torino Dipartimento di Ingegneria dell Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture

2 PREMESSA PROTEZIONE DELLE RETI IDRICHE DA Possibilità di immissione (dolosa o accidentale) di inquinanti nella rete acquedottistica Necessità di salvaguardare la salute degli utenti e di tutelare le attività produttive che necessitano di acqua di buona qualità (es: agricoltura, industria alimentare) È opportuno predisporre più livelli di sistemi di sicurezza per ridurre il rischio legato a contaminazione della rete

3 STRATEGIE PROTEZIONE DELLE RETI IDRICHE DA Progettazione attenta delle opere acquedottisticheche includa sistemi di protezione passiva/attiva Analisi da parte dei gestori delle caratteristiche dell acqua introdotta in rete Posizionamento di sensori per il rilevamento della presenza di inquinanti in rete Predisposizione di procedure per assicurare il servizio idrico anche in fase di emergenza

4 PROTEZIONE DELLE RETI IDRICHE DA CARATTERISTICHE SISTEMA DI MONITORAGGIO Tipologia di sostanza rilevata Frequenza temporale di campionamento Numero di sensori Posizione all interno della rete Necessità di conoscere il comportamento idraulico della rete

5 CLASSIFICAZIONE DEI METODI PROPOSTI Valutazione di esperti: il posizionamento è affidato al solo giudizio umano senza la necessità di modelli numerici. Indici di classificazione: i nodi di una rete sono classificati in base al valore di indici definiti dall operatore che utilizza modelli numerici più o meno complessi. Metodi di ottimizzazione: il posizionamento è eseguito alla luce della simulazione di qualità dell acqua erogata ottimizzando una o più funzioni obiettivo.

6 INDICI DI CLASSIFICAZIONE Applicati a reti elettriche, internet ma non ancora ad acquedotti Basati sulla teoria delle reti complesse: rete schematizzata come insieme di nodi(punti di prelievo, serbatoi ) collegati tra loro da rami(condotte) Il tutto è sintetizzato da una matrice delle adiacenzeche evidenzia i collegamenti tra nodi Nodo 1 Nodo 2 Nodo N Nodo Nodo Nodo N 0 1 0

7 INDICI DI CLASSIFICAZIONE È anche possibile utilizzare matrici pesateper descrivere le proprietà idrauliche della rete Esempi di pesi: portate, diametri, tempi di residenza Nodo 1 Nodo 2 Nodo N Nodo 1 0 Q 12 Q 1N Nodo 2 Q 21 0 Q 2N Nodo N 0 Q N2 0

8 BETWEENNESS CENTRALITY [Gould, 1987] Il nodo i ha una valore di betweenness centrality tanto più elevato quante più volte si trova sul più breve percorso tra i generici nodi je k.

9 BETWEENNESS CENTRALITY [Gould, 1987] Il nodo i ha una valore di betweenness centrality tanto più elevato quante più volte si trova sul più breve percorso tra i generici nodi je k. RETE MATRICE ADIACENZE BETWEENNESS CENTRALITY

10 BETWEENNESS CENTRALITY [Gould, 1987] Nodo Betweenness centrality Vantaggi: semplice; non richiede un modello idraulico. Svantaggi: non contiene informazioni sull idraulica della rete.

11 RECEIVABILITY [Xu et al., 2008] Al nodo iviene assegnato un valore di receivabilitycorrispondente al numero dei nodi da cui è in grado di ricevere acqua (dominio di copertura). Receivability Vantaggi: semplice; mantiene informazioni sull idraulica della rete. Svantaggi: necessità di un modello idraulico.

12 RECEIVABILITY [Xu et al., 2008] Ne esistono due versioni: NON VINCOLATA (NTC-REC) VINCOLATA (TC-REC) 1. Non è imposto alcun vincolo temporale entro il quale un nodo può ricevere acqua da un altro. RETE MATRICE ADIACENZE (PORTATE) RECEIVABILITY

13 RECEIVABILITY [Xu et al., 2008] Ne esistono due versioni: NON VINCOLATA (NTC-REC) VINCOLATA (TC-REC) 2. È imposto un vincolo temporale (tempo limite) entro il quale un nodo può ricevere acqua da un altro. RETE MATRICE ADIACENZE (TEMPI) TIME- CONSTRAINED RECEIVABILITY

14 1. Classificazione mediante un indice per la localizzazione dei sensori determinazione della posizione dei sensori nella rete 2. Generazione di scenari di contaminazione simulazione numerica delle possibile propagazione di un inquinante nella rete 3. Scelta dei criteri di valutazione verifica dell efficacia del sistema di monitoraggio

15 SCENARI DI CONTAMINAZIONE Evento tipo: immissione inquinante per 2 h (1g/min ) Nodo immissione: qualsiasi Istante immissione: qualsiasi (0:00, 0:05, 0:10, 23: 55, 24:00) circa simulazioni con EPANET

16 CRITERI DI VALUTAZIONE 1) Percentuale di eventi di contaminazione rilevati 2) Tempo medio di rilevamento 3) Volume medio di acqua inquinata erogata

17 Caso test rete reale semplificata (EPANET) sorgenti serbatoi 2 sorgenti con prelievo non costante 97 nodi di prelievo 3 serbatoi di compenso Richieste variabili nella rete condizioni fortemente dinamiche

18 BETWEENNESS

19 RECEIVABILITY BETWEENNESS

20 RECEIVABILITY 5 h 2.5 h BETWEENNESS

21 RECEIVABILITY

22 Buona correlazione tra diversi criteri

23 EFFETTI INCERTEZZA DELLE CARATTERISTICHE DELLA RETE Il modello idraulico è influenzato dalla conoscenza imperfetta delle proprietà della rete (domande, scabrezze ) Per valutare quest incertezza: modello idraulico errato ottenuto con errori random(±30%) nelle domande ai nodi e nelle scabrezze delle condotte 200 simulazioni Si ricalcola lo schema di posizionamento e lo si valuta in base alla propagazione dell inquinante nella rete reale

24 EFFETTI INCERTEZZA: RISULTATI Nel caso di un unico sensore, posizionato secondo la receivability(non vincolata): Nella metà dei casi il metodo seleziona la posizione corretta (nodo 253), corrispondente ad una probabilità di rilevamento del 69%. Nei restanti casi viene individuata un altra posizione (nodo 219), con una probabilità di rilevamento del 61%. RISULTATI SODDISFACENTI ANCHE IN PRESENZA DI INCERTEZZE

25 EFFETTI INCERTEZZA: RISULTATI Si sta inoltre valutando la possibilità di modificare la receivabilityper tenere meglio in considerazione la variabilità delle portate nel tempo. In questo caso: Nel 77% dei casi il metodo seleziona la posizione corretta (nodo 253), corrispondente ad una probabilità di rilevamento del 69%. I posizionamenti errati si riducono al 23%, sempre con un peggioramento ridotto. MIGLIORAMENTO DELLA ROBUSTEZZA DEL METODO

26 Lo sviluppo di un sistema di monitoraggio degli inquinanti in rete può essere svolto con metodi innovativi e relativamente semplici (indici di classificazione). I risultati migliori si ottengono con la receivability, che considera il comportamento idraulico della rete. Il suddetto metodo mantiene le sue caratteristiche fondamentali anche in presenza di errori (incertezze) nel modello idraulico. Questi metodi possono essere facilmente modificati per adattarsi alle caratteristiche delle reti idrauliche. Ringraziamenti: Luca Ridolfi, Roberto Revelli, Ilaria Butera, Marco Scibetta, Livio Vernetti