Tailoring Complex Network Theory for Water Distribution Networks Analysis

Everything around us is connected: individuals in society, infrastructures in cities, cells in the brains, interacting species in ecosystems, etc... These connections allow us to represent all complex real systems as networks and help us to understand how the world really works. Novel approaches and metrics, that often go beyond traditional analysis tools, are made available to model and interpret an impressive number of natural and anthropogenic phenomena, i.e., to investigate and understand the networks behavior. We are talking about the Complex Networks Theory (CNT), a new challenge that fascinates and involves the scientific community. In this thesis, we aim to contribute to the study of Water Distribution Networks (WDNs), particularly to the relationship between connective structure and dynamics occurring in these complex networks, tailoring classic CNT tools. The study starts from the basic concepts proposed by the CNT, shows the limits they present when applied to infrastructural systems such as WDNs, strongly constrained spatially, and proposes their tailoring. Then, we suggest a new complex network-based framework to model and simulate WDNs accounting for their intrinsic peculiarities and spatial limits enhancing the WDNs analysis and providing more reliable tools to identify the actual behaviour of these hydraulic systems. Accordingly, we propose new metrics and models, supported by efficient calculation tools.

Tutto ciò che ci circonda è connesso: individui nella società, infrastrutture nelle città, cellule nel cervello, specie interagenti negli ecosistemi, ecc. Queste connessioni ci consentono di rappresentare tutti i sistemi reali complessi come reti e ci aiutano a capire come il mondo reale funziona davvero. Nuovi approcci e metriche, che spesso superano i tradizionali strumenti di analisi, sono resi disponibili per modellare e interpretare un numero impressionante di fenomeni naturali e antropici, ovvero per esplorare e comprendere le caratteristiche delle reti. Stiamo parlando della Teoria delle Reti Complesse (CNT), una nuova sfida che affascina e coinvolge la comunità scientifica. In questa tesi, ci proponiamo di contribuire allo studio delle reti di distribuzione idrica (WDNs), in particolare al rapporto tra struttura connettiva e dinamiche che si verificano in queste reti complesse, adattando i classici strumenti della CNT. Lo studio parte dai concetti base proposti dalla CNT, ne mostra i limiti che presentano quando applicati a sistemi infrastrutturali come le WDNs, fortemente vincolati spazialmente, e ne propone un adattamento. Quindi, proponiamo un nuovo framework per modellare e analizzare le WDNs tenendo conto delle loro peculiarità intrinseche e dei loro limiti spaziali migliorando la loro analisi e fornendo strumenti più affidabili per identificare il comportamento effettivo di questi sistemi idraulici. A tal proposito, proponiamo nuove metriche e modelli, coadiuvati da strumenti di calcolo efficienti.