Prof. Domenico Pianese, Università degli studi di Napoli Federico II
Ringrazio l’INEA per avermi invitato a partecipare a questa giornata molto interessante, con
interventi e contributi diversi. Con estremo piacere spero di poter fornire anch’io un mio piccolo contributo alla discussione.
L’Università Federico II di Napoli sta conducendo, già da diversi anni, studi finalizzati all’individuazione di metodologie e di tecniche per l’uso ottimizzato non solo della risorsa idrica, ma
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anche delle infrastrutture idriche già esistenti in un determinato territorio. A tale proposito, va infatti osservato che la realizzazione di nuove grandi opere, destinate prima alla captazione, poi allo stoccaggio, successivamente all’adduzione e, infine, alla distribuzione della risorsa presenta una numerosa serie di problemi, di ordine sia economico che ambientale e sociale. In particolare, per quanto riguarda specificamente le opere di accumulo (serbatoi e invasi artificiali), occorre portare in debito conto i seguenti fattori:
i notevoli costi da sostenere per la costruzione di nuovi invasi e per la gestione degli invasi preesistenti;
l’incremento della potenziale pericolosità idraulica per gli abitati a valle (in conseguenza di possibili, sebbene poco probabili, fenomeni di dam-break).
Tali problematiche giustificano la presenza e lo sfruttamento dei volumi invasati solo in ragione di un uso:
“economicamente conveniente” per il gestore (se l’invaso è gestito da privati o ad essi assimilabili) o per la collettività (se l’invaso è gestito da Enti pubblici);
“socialmente utile” (ad esempio, per scopi ricreativi) ed “ecologicamente compatibile” (in relazione al minimo deflusso vitale da lasciar defluire nei tratti d’alveo a valle dell’opera di sbarramento)
Per tali ragioni, la gestione ottimale delle infrastrutture esistenti e, in particolare, degli invasi già esistenti assume un ruolo fondamentale ai fini del risparmio idrico e della disponibilità di risorse.
Nel ventesimo secolo, sia nel nostro che negli altri Paesi europei, sono stati realizzati numerosissimi invasi, destinati a diversi scopi: idroelettrici, potabili e irrigui. Molto frequentemente, col passare del tempo gli specifici obiettivi per i quali tali impianti sono stati realizzati sono venuti meno. Di conseguenza, le iniziali finalità e le iniziali regole gestionali di tali invasi potrebbero essere oggi non solo modificate, ma anche ottimizzate allo scopo di massimizzare i benefici che potrebbero ritrarsi dalle risorse idriche disponibili in quel determinato contesto. In pratica, assegnando agli invasi già realizzati opportune regole gestionali, si potrebbe fare in modo che essi, inizialmente realizzati solo per soddisfare una esigenza, potrebbero invece essere utilizzati con l’obiettivo di soddisfare non solo esigenze tipologicamente diverse ma anche oggi fortemente conflittuali: ad esempio, se l’invaso era stato concepito solo a scopo irriguo, potrebbe oggi fornire un valido aiuto anche per scopi potabili o industriali.
A tale proposito, va immediatamente evidenziato che, oltre alle classiche utilizzazioni da parte di utenze disposte “a valle” dello sbarramento (per uso potabile e/o idroelettrico e/o industriale e/o irriguo), è attualmente possibile ipotizzare anche un uso dell’acqua sia a favore di utenze poste “a monte” dell’opera di sbarramento dell’invaso, a scopi ludici (pesca sportiva, canottaggio, balneazione, wind-surf, escursioni turistiche in battello, ecc.), sia un uso dell’acqua volto a garantire, unitamente agli usi già indicati, anche l’esistenza, a valle dell’opera di sbarramento, di un contesto
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ambientalmente, paesaggisticamente ed ecologicamente compatibile, a sua volta di rilevante valore sociale.
Un esempio di quanto detto è l’invaso di Piano della Rocca sul fiume Alento in provincia di Salerno (figg. 1a e 1b), la cui gestione è attuata dal Consorzio di bonifica locale e rappresenta un esempio significativo di possibile compromesso tra le diverse esigenze. Infatti, oltre a garantire l’erogazione di cospicui quantitativi di acqua alle utenze irrigue ubicate nella valle del fiume nel periodo primaverile-estivo, il Consorzio provvede sia a produrre energia idroelettrica che a erogare se necessario acqua per uso potabile avvalendosi di un potabilizzatore. Parallelamente, con le portate rilasciate a valle dell’opera di sbarramento, il Consorzio provvede ad alimentare alcuni laghetti artificiali specificamente realizzati a valle della diga, nonché il tratto d’alveo ubicato a valle dei laghetti stessi, conferendo all’intero contesto una valenza paesaggistica ed ecologica capace di costituire una fonte di attrazione turistica. Inoltre, nell’invaso a monte dello sbarramento sono realizzate numerose attività ludiche, anch’esse fonte di attrazione turistica, quali gite in battello (fig. 1a), pesca sportiva, canottaggio e balneazione.
Figura 1a - Piano della Rocca sul fiume Alento (SA) a monte dello sbarramento
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Questi usi appaiono altrettanto interessanti e degni di essere considerati, soprattutto in un ambiente che va via via depauperandosi nelle valenze paesaggistiche, a volte anche storiche. Poiché, tuttavia, quando si eroga acqua alle utenze ubicate a valle dell’opera di sbarramento, il livello dell’invaso inevitabilmente si riduce, inibendo o riducendo le possibili utilizzazioni a monte dello stesso, tale valorizzazione va senz’altro perseguita in modo diligente, evitando che l’uso della risorsa diventi elemento di conflittualità.
Allo scopo di contribuire alle ricerche finalizzate allo sviluppo di metodologie per l’ottimizzazione dell’uso di risorse idriche e delle relative e infrastrutture idriche, l’Università di Napoli Federico II ha messo a punto, da alcuni anni, uno specifico modello in grado di individuare, una volta assegnate (o generate) le serie storiche dei deflussi in arrivo da bacino, le regole di gestione ottimali per utilizzare al meglio le risorse disponibili e gli invasi già esistenti. Il software realizzato può, a sua volta, essere utilizzato anche per l’individuazione della capacità di invaso utile (e, quindi, in definitiva, delle volumetrie complessive) da assegnare a nuovi serbatoi artificiali allo scopo di utilizzare al meglio le risorse disponibili in quel determinato contesto.
Tralasciando le specifiche e i dettagli matematici e ingegneristici alla base del modello, si può dire sinteticamente che l’approccio metodologico proposto si avvale, da un lato di una specifica tecnica di ottimizzazione (cosiddetti “algoritmi genetici”, ricadenti nella categoria degli “algoritmi evolutivi”), dall’altro lato di un idoneo “simulatore” del comportamento del sistema invaso5 (fig. 2). La scelta degli
algoritmi genetici quale tecnica da ottimizzazione è stata determinata dalla sua grande semplicità di implementazione, flessibilità d’uso e capacità di “esplorare” in modo ampio, ma nel contempo preciso, l’insieme di tutte le possibili soluzioni, in modo da individuarne la migliore. La tecnica procede per step successivi, a partire da un gruppo iniziale di possibili, o anche tecnicamente impossibili, soluzioni del problema (ciascuna delle quali definita “individuo”, e creata in modo completamente random). Valutate (con l’ausilio del simulatore del comportamento dell’invaso) le performance offerte da tali individui, e confrontate le stesse, è man mano possibile, procedendo per successivi gruppi di “individui” (valori di tentativo delle variabili decisionali coinvolte nel processo di ottimizzazione), migliorare le regole di gestione dell’invaso.
L’approccio metodologico indicato si avvale, a sua volta, di dati preventivamente noti (quali: le serie storiche dei deflussi, reali o generate con opportune tecniche stocastiche; il volume utile dell’invaso). Tali dati sono, quindi, elaborati secondo il seguente schema.
5 Metodo degli scarti cumulati, che in relazione ai volumi di acqua in arrivo e di quelli erogati, da la possibilità di valutare le
modalità con cui il serbatoio tende, col passare del tempo, a svuotarsi o a riempirsi, determinando, quindi, specifici accumuli temporanei a monte dello sbarramento, potenzialmente sfruttabili dalle utenze poste a monte dello stesso –
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Figura 2 – Simulatore del comportamento dell’invaso artificiale (metodo degli scarti cumulati)
Covelli et al., 2011
Nella procedura proposta, nota o ipotizzata (nel caso di progettazione) la capacità utile W* dell’invaso artificiale, è risolto un problema di ottimizzazione attraverso la ricerca di una regola di gestione “ottima” della risorsa idrica disponibile, accoppiando un simulatore idraulico basato sul metodo degli scarti cumulati (per simulare il comportamento di un serbatoio per preassegnate disponibilità idriche e preassegnate modalità di erogazione ad utenze tra loro diverse e conflittuali) e l’algoritmo di ottimizzazione del tipo GA.
Le simulazioni sono effettuate con:
il valore del volume del serbatoio W*: noto (o, nel caso di progettazione, semplicemente ipotizzato): prefissato;
il volume minimo per lo svolgimento di attività all’interno dell’invaso (canottaggio e pesca subacquea);
il volume massimo turbinabile in ciascun sottoperiodo dell’anno: prefissato;
per ciascun individuo, cioè per ciascuna soluzione potenziale del problema di ottimizzazione, i valori dei coefficienti di utilizzazione (Cj,ut) relativi alla generica utenza (ut) e al generico
sottoperiodo dell’anno (j): inizialmente creati in modo del tutto casuale, ma poi riproposti, per ciascun individuo, dall’algoritmo di ottimizzazione;
per ciascun individuo, i valori dei rapporti (Eutenzaannua,ut /Etotale_annua ) tra i valori del volume di acqua annualmente erogato alla generica utenza ut (Eutenza annua,ut) e il volume di acqua complessivamente erogato nell’arco di un anno a tutte le varie utenze (Etotale_annua): inizialmente creati in modo del tutto casuale, ma poi riproposti, per ciascun individuo, dall’algoritmo di ottimizzazione.
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Un esempio di applicazione della procedura proposta a un bacino reale è quello del sottobacino del fiume Biferno, in località Ponte della Fiumara (fig. 3), che presenta le caratteristiche illustrate nella scheda 1.
Figura 3 – Tratto del fiume Biferno
Scheda 1 – Caratteristiche del corso d’acqua esaminato e parametri applicati
Dati corso d’acqua:
Sorgenti: comune di Bojano – località Pietrecadute - Altitudine: 500 m.s.l.m.
Regime: torrentizio Lunghezza: 84 km
Portata media: 20 mc/s (alla foce) Dati sottobacino:
Estensione: 27 kmq Permeabilità: bassa Boschi: scarsi
Copertura vegetale: scarsa Presenza di oasi naturalistiche
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Parametri applicati:
Dai risultati ottenuti è stato possibile osservare come mediante la procedura proposta sia possibile ottenere, con riferimento a un preassegnato scenario di disponibilità idriche, un migliore sfruttamento della risorsa idrica presente all’interno di un serbatoio artificiale ad uso plurimo.
L’approccio adottato può, dunque, consentire di orientare in maniera ottimale le modalità di gestione della risorsa accumulabile nell’invaso.
Nel prossimo futuro, l’approccio proposto sarà migliorato allo scopo di:
1. estenderlo, da metodo di sola verifica e tuning di invasi preesistenti, a metodologia per la “progettazione ottimizzata dei serbatoi artificiali” (ottimizzata in termini sia di capacità di invaso utile da assegnare al serbatoio che di regole di gestione da prendere a riferimento);
2. estendere l’approccio “deterministico” utilizzato nel presente lavoro al caso di molteplici scenari di disponibilità idrica, generati con l’ausilio di approcci stocastici basati su modelli del tipo ARMA,
ARIMA, ecc.;
3. estendere il problema dell’ottimizzazione al caso di sistemi di più serbatoi tra loro interconnessi, sempre più frequenti nel nostro Paese (soprattutto nell’Italia meridionale), in conseguenza della elevata variabilità della risorsa.
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