Un approccio integrato alla sostenibilità delle infrastrutture idriche

di Angelo Facchini^1,2, Antonio Scala^1,2, Nicola Lattanzi³, Guido Caldarelli^1,2, Giovanni Liberatore⁴, Armando Di Nardo⁵

1 – IMT – Alti Studi Lucca


2 – CNR – Istituto dei Sistemi Complessi


3 - Università di Pisa


4 - Università di Firenze

5 - Seconda Università degli Studi di Napoli

1. Introduzione

Mentre gli effetti del cambiamento climatico diventano sempre più visibili, le risorse (acqua, energia, materiali) sono scarse e l’ambiente non può più essere considerato un serbatoio infinito per le nostre esigenze e per i nostri rifiuti.

Negli ultimi tre decenni stiamo assistendo ad un aumento della pressione antropica sull’ambiente, causata da diversi fattori come la crescita della popolazione sia rurale che urbana o il rapido sviluppo dei paesi emergenti. Infatti, secondo le Nazioni Unite [1] e il McKinsey Global Institute [2], con l’incremento della popolazione urbana vi è la necessità urgente di far fronte a una sfida multiforme che coinvolge l’ambiente, l’uso efficiente delle risorse e lo sviluppo di strategie e politiche per rendere più sostenibile il nostro futuro.

Le infrastrutture, in particolare quelle che si riferiscono alla distribuzione di servizi strategici come acqua ed energia, saranno le più esposte ai profondi cambiamenti attesi nei prossimi anni.

L’acqua è una risorsa fondamentale per le persone e per i sistemi ad essa collegati, come l’energia, i rifiuti, e la produzione alimentare, ma risulta in continuo calo in tutto il mondo a causa di fattori come il cambiamento climatico, la competizione per gli usi, la crescita della popolazione, l’urbanizzazione, le attività agricole e l’industrializzazione [3].

Per queste ragioni, la sostenibilità del “sistema acqua” è diventata uno dei temi principali nelle agende di politici e decision makers [4].

Risulta quindi di importanza prioritaria affrontarne la sostenibilità sia dal punto di vista di un uso razionale ed efficiente della risorsa, sia dal punto di vista del mantenimento di elevati standard qualitativi di servizio. Di fronte a questo scenario, l’industria dell’acqua e delle infrastrutture idriche richiede pertanto una profonda trasformazione in termini di prelievo, resilienza ed affidabilità.

Negli anni passati, i ricercatori hanno risposto a questa esigenza proponendo una serie di modelli e indicatori per caratterizzare le reti idriche. Per esempio, Tabesh [5] ha proposto un modello utilizzando misure idrauliche, fisiche, ed empiriche, mentre Pirlata [6] ha modellato un sistema di distribuzione sostenibile attraverso un compromesso tra affidabilità, il ciclo di vita, costi, ed emissioni di CO₂; Li [7] ha definito la sostenibilità nei sistemi di acqua come un equilibrio tra l’efficienza della rete e la resilienza. Altri ricercatori stanno convergendo verso un modello integrato per la progettazione delle infrastrutture in convergenza con le reti di energia e telecomunicazione, introducendo metodi di analisi e misura della sostenibilità già sperimentati per altri tipi di reti infrastrutturali [8].

L’interconnessione e l’interdipendenza delle reti, sempre maggiore grazie allo sviluppo delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione, spinge nella direzione di una visione integrata dell’infrastruttura idrica; una visione che permetta di considerare tutte le connessioni del sistema e ne consenta una caratterizzazione sistemica. Tale aspetto è poco trattato in letteratura; perciò nel presente contributo per “Il Merito. Pratica per lo sviluppo” si intende affrontare il tema, descrivendo un approccio alla sostenibilità delle reti idriche basato sulla teoria dei sistemi complessi, l’asset management e il bilancio di sostenibilità.

2. Un approccio multidisciplinare alla gestione sostenibile delle infrastrutture idriche

Nel presente studio si propone un approccio olistico - Acque 2.0 - che vuole sfruttare il potenziale di sostenibilità delle infrastrutture idriche attraverso i seguenti elementi:

1. Infrastrutture intelligenti, consentendo una descrizione in tempo reale dello stato delle reti e dei suoi carichi.

2. Sistemi complessi, tra cui l’utilizzo di algoritmi e visioni innovativi che consentano il miglioramento della qualità del servizio e della resilienza;

3. Bilancio integrato di sostenibilità.

Infrastrutture intelligenti: nel campo dei sistemi di distribuzione dell’energia elettrica, le reti intelligenti hanno rappresentato una rivoluzione sia dal punto di vista degli utenti (con l’installazione dei contatori elettronici), sia dal punto di vista del distributore (automazione delle stazioni di media e alta tensione). I vantaggi della digitalizzazione delle reti di distribuzione sono ben evidenziati dal successo ottenuto da Enel, che negli ultimi due decenni ha installato in Italia circa 40 milioni di contatori elettronici che hanno consentito un netto miglioramento della gestione della rete e dell’efficienza operativa, garantendo un’alta qualità del servizio per i clienti pur mantenendo i costi di gestione sostenibili [9].

Negli ultimi anni, sia i regolatori sia le utility idriche stanno seguendo la stessa strada [10], in Italia e in campo internazionale. Di particolare interesse è il caso delle utility australiane, che, trovandosi ad operare in costante situazione di scarsità stanno “digitalizzando” la propria rete coinvolgendo gli utenti finali [10]. In generale la digitalizzazione della gestione dei servizi idrici offre i seguenti vantaggi:

1. Riduzione delle perdite tecniche e amministrative

2. Miglioramento delle capacità di previsione per la domanda di punta

3. Riduzione dei costi associati alla lettura del contatore e dei costi operativi.

4. Miglioramento dei tempi di risposta in caso di guasti.

5. Monitoraggio in real-time della qualità del servizio (ad esempio, nel caso di inquinanti).

6. Miglioramento della qualità dei servizi e la possibilità di sviluppare nuovi modelli di business.

La lettura e l’immagazzinamento di dati relativi ai consumi permettono inoltre l’impiego di metodi di analisi e algoritmi basati su sistemi complessi e big data.

Sistemi complessi e reti complesse: i sistemi complessi e i metodi non lineari sono ormai ben consolidati e ampiamente descritti in una ricca letteratura [11]. Il fatto che sistemi apparentemente semplici e deterministici possano mostrare comportamenti temporali complicati in presenza di non linearità ha influenzato il pensiero e l’intuizione in molti campi: i metodi non lineari sono stati infatti applicati con successo a una vasta gamma di fenomeni naturali, fornendo spunti e soluzioni semplici e originali in diverse discipline, e permettendo ai ricercatori di caratterizzare con successo una vasta gamma di fenomeni meccanici, economici, biofisici, biologici ed ecologici (si rinvia ad Abarbanel [12] e Kantz [13] per una vasta descrizione dei metodi e delle loro applicazioni).

Per quanto riguarda la struttura della loro rete di relazioni, i sistemi complessi sono stati caratterizzati con successo attraverso l’utilizzo delle metodologie sviluppate nelle reti complesse. Un sistema complesso si caratterizza infatti per l’essere formato da più componenti tra loro connesse, e lo schema di queste connessioni può essere rappresentato da oggetti matematici denominati grafi.

Lo studio delle reti complesse ha mostrato grande efficacia come strumento valido e versatile per l’analisi sia di reti infrastrutturali (ad esempio, acqua, luce, gas, trasporti, etc.), che di reti “soft” quali prestiti bancari, flussi commerciali e d’informazione; reti che, pur essendo tra loro molto diverse, condividono una struttura (topologia) [14,15,16] e sono in grado di descrivere tali sistemi eterogenei permettendo di:

1. Ottimizzare la rete rispetto a molteplici funzioni di costo.

2. Misurare la stabilità di rete rispetto a guasti o atti di sabotaggio [17].

3. Misurare l’impatto dei guasti sulla popolazione.

Per quanto riguarda lo studio delle infrastrutture idriche, tramite l’analisi topologica si possono analizzare le proprietà della rete considerando le sue relazioni di adiacenza (misurando chi è collegato a chi). In seguito, possono poi applicarsi un insieme di tecniche di analisi avanzate volte a studiare la connettività del sistema e per comprenderne la robustezza e la suscettibilità al danno delle sue componenti. In questa fase è possibile modellare i sistemi di distribuzione idrica sono come reti pesate e orientate quantificandone le proprietà sia a livello locale (singoli componenti), sia a livello globale (sistema idrico). In questo modo è possibile definire metriche complesse che consentono l’identificazione dei nodi e delle connessioni maggiormente vulnerabili rispetto a guasti e attacchi intenzionali [17]. La rilevanza di questo approccio è stata sperimentata attraverso una serie di casi di studio sui sistemi idrici locali negli Stati Uniti e nel Regno Unito [18] e in Italia [19], mentre per quanto riguarda il rischio legato ai terremoti l’analisi di vulnerabilità è stata applicata con successo per la valutazione dell'affidabilità sismica delle infrastrutture [20]

Sulla base della letteratura, proponiamo dunque un approccio basato su reti complesse che prevede i seguenti passaggi:

1. Caratterizzazione sotto forma di grafo pesato della rete di distribuzione.

2. Definizione di una serie di funzioni di costo (e.g. uso della risorsa, consumo di elettricità, qualità del servizio)., resilienza);

3. Identificazione dei nodi critici sulla base delle misure associate alla topologia della rete.

4. Definizione di un modello ottimale di rete.

5. Valutazione del rischio complessivo, tenendo conto delle interazioni tra i singoli rischi e in base al confronto tra il modello attuale e quello ottimale.

6. Realizzazione di un algoritmo di manutenzione predittiva basata su dati storici e stato attuale della rete.

I risultati dell’analisi di rete hanno un doppio scopo: il primo è quello di caratterizzare, attraverso opportune metriche e modelli, la rete idrica, integrando opzioni e metriche avanzate mutuate dalle reti complesse in software commerciali come EPANET (http://epanet.de/); il secondo è quello di fornire una serie di Key Performance Indicators al bilancio integrato di sostenibilità (ulteriore componente dell’approccio Acque 2.0).

2.1. Bilancio integrato di sostenibilità

Valutare la sostenibilità significa riferirsi ai principi dello sviluppo sostenibile, scolpiti a suo tempo dalla Commissione Brundtland nel rapporto “Our common future” del 1987 [21], ulteriormente ampliati nel corso del vertice di Rio del 1992 e, infine, ribaditi durante i vertici mondiali del 2002 e del 2005. Lo sviluppo sostenibile è descritto come “lo sviluppo che soddisfa i bisogni del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni”, e si basa su due concetti chiave descritti da Daly [22]:

1. Non consumare risorse a un tasso superiore alla loro capacità di rigenerazione.

2. Non produrre rifiuti a un tasso superiore alla capacità dell’ambiente di smaltirli.

Negli ultimi tre decenni, la scienza della sostenibilità si è notevolmente evoluta sviluppando nuove conoscenze e un nuovo punto di vista sugli ecosistemi e sui sistemi socio-economici [22-25].

La gestione dell’acqua è uno dei temi dell’Agenda 21, e il tema delle acque urbane è stato al centro di un importante dibattito riguardante la nuova agenda urbana discussa da UN-Habitat durante la conferenza Habitat III di Quito (Ottobre 2016).

Una prima definizione di sostenibilità delle acque urbane può essere trovata in Ludin [26]: “un sistema idrico urbano sostenibile è quello che nel lungo periodo è in grado di fornire i servizi richiesti salvaguardando la risorsa, l’ambiente, e la salute umana”; in questo senso, come specificato da Larsen [27] il sistema idrico urbano comprende una serie di infrastrutture tra loro interconnesse deputate alla raccolta, al trattamento e alla distribuzione dell’acqua potabile, insieme alla gestione delle acque reflue e piovane.

Da questo punto di vista, il bilancio integrato di sostenibilità costituisce il mezzo più adatto per valutare la sostenibilità delle risorse e delle relative infrastrutture. Infatti, lo scopo primario di un rapporto integrato è quello di spiegare agli azionisti e ai portatori d’interesse come un’organizzazione si relaziona con l’ambiente che la circonda creando valore nel tempo, portando benefici a tutti gli attori interessati compresi i dipendenti, i clienti, i partner commerciali, e le comunità locali.

La tutela della risorsa acqua, in particolare, richiede un’azione unitaria ed integrata, non settoriale e isolata, e necessita di una prevenzione non limitata ai soli corpi idrici, ma che tenga in considerazione tutti i fenomeni e tutte le attività antropiche che direttamente o indirettamente incidono sulla qualità della risorsa.

In questo quadro, il “Piano di tutela delle acque” previsto dal d.lgs.n. 152/99 rappresenta una complessa operazione che prevede, in accordo con l’Autorità di bacino, le Province e gli Ambiti territoriali, l’elaborazione di programmi di rilevamento dei dati utili alla descrizione delle caratteristiche del bacino idrografico e alla valutazione dell’impatto antropico su di esso esercitato.

In definitiva, la protezione delle risorse richiede un'azione integrata, che tenga conto di tutti i fenomeni e di tutte le attività umane che, direttamente o indirettamente influiscono sulla qualità delle risorse idriche e dei servizi connessi.

Per questo motivo, il sistema usato per misurare la performance di sostenibilità dovrà essere in grado di perseguire degli obiettivi conoscitivi e organizzativi in linea con gli European Water Stewardship (EWS) standard (http://www.ewp.eu/):

• assistere ed indirizzare nelle previsioni sugli scenari evolutivi dei fabbisogni idrici;

• individuare i parametri specifici di analisi dell’impiego di acqua a livello locale;

• indirizzare il processo decisionale verso la selezione di obiettivi e la costruzione di piani di indirizzo che massimizzino il grado di compliance con il quadro regolamentare e autorizzativo locale e nazionale;

• comunicare agli stakeholder il comportamento strategico e l’attitudine alla creazione di valore dell’impresa (Reporting integrato) secondo gli standard IIRC (http://integratedreporting.org/).

  Per le aziende idriche e i loro stakeholder, ci aspettiamo che un sistema di misurazione così concepito possa portare i seguenti benefici:

• capacità di individuare i più idonei criteri per la selezione e la raccolta di informazioni sensibili, utili per i decisori pubblici, stakeholders e investitori;

• capacità di intervenire sugli aspetti davvero critici, identificati in ragione della loro rilevanza per l’ambiente;

• capacità di valutare i progressi dell’azienda nella riduzione degli impatti ambientali e nella salvaguardia delle risorse naturali.

  3. Conclusioni

  Abbiamo delineato i tratti salienti di “Acque 2.0” un insieme di strumenti, algoritmi e metodi interdisciplinari – alcuni già esistenti, altri da sviluppare ex novo - idoneo a sfruttare a pieno il potenziale di sostenibilità delle infrastrutture idriche. Abbiamo perciò adottato un approccio olistico, di sistema, perché, dovendo affrontare un tema complesso, si è consapevoli che “il tutto è maggiore della somma delle sue parti”. Abbiamo basato la nostra analisi sui sistemi complessi e sulle reti complesse, essendo questi metodi entrambi in grado di migliorare l'infrastruttura, diminuendo i costi operativi, e garantendo, a un tempo, un servizio di alta qualità.

  Come visto, l’analisi topologica delle reti appare infatti in grado di fornire una serie di misure affidabili con riferimento alla vulnerabilità delle reti e alla loro ottimizzazione, e nonché per la redazione del bilancio di sostenibilità.

  Adottare la complessità significa avere una visione integrata e di lunga durata; una visione che è in grado di trasformare l’infrastruttura rendendola moderna, efficiente: in grado di soddisfare le esigenze degli utenti, diminuendone l’impatto ambientale. Un tale processo di trasformazione implica infine una sinergia tra gli attori coinvolti: le utility, le autorità di regolazione, il mondo della ricerca, i cittadini.

  Riferimenti Bibliografici

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 (22 dicembre 2016)