Dynamical role of system-environment correlations in non-Markovian dynamics

We analyse the role played by system-environment correlations in the emergence of non-Markovian dynamics. By working within the framework developed in Breuer et al., Phys. Rev. Lett. 103, 210401 (2009), we unveil a fundamental connection between non-Markovian behaviour and dynamics of system-environment correlations. We derive an upper bound to the rate of change of the distinguishability between different states of the system that explicitly depends on the development and establishment of correlations between system and environment. We illustrate our results using a fully solvable spin-chain model, which allows us to gain insight on the mechanisms triggering non-Markovian evolution.Comment: 5 pages, 2 figure

Aspetti economici nelle strategie di gestione delle perdite idriche

L’obiettivo logico di ogni gestore efficiente è quello di eliminare completa-mente le perdite della rete di distribuzione, in quanto queste si associano ad incrementi di costi per la produzione e la distribuzione delle risorse, in termini di sovradimensionamento dei serbatoi, degli impianti di trattamento e delle tubazioni della rete. Tuttavia la completa eliminazione è impossibile, e in realtà va individuato il livello di perdite che si può tollerare e controllare. La definizione teorica dei livelli economici delle perdite idriche non è nuova. Già Parry nel 1881 discusse i costi e i benefici di una strategia di ridu-zione degli sprechi con ispezioni, uso di materiali e infrastrutture di buona qualità evidenziando i primi risultati della misurazione delle perdite ottenuti nella città di Liverpool. In quel tempo in vaste zone di Londra l’approvvigionamento idrico era «imperfetto e intermittente» e la priorità del gestore era garantire la continuità del servizio. Anni dopo, nel 1957, Gledhill studiò gli aspetti economici legati alla ricerca perdite ed elaborò alcune delle teorie ancora oggi in uso. Nel 1980 il Report 26 (Technical Group on Waste of Water) metteva a confronto il rapporto costi/benefici delle diverse forme di controllo delle per-dite: il controllo passivo, le ispezioni regolari, la misurazione degli sprechi. Il Report 26 recitava: «È chiaramente antieconomico fare in modo che non vi siano perdite lungo le reti e presso i serbatoi. È altresì chiaro che esiste un li-mite economico di perdite idriche che dovrebbe essere tollerato». Nel 1988 Shore propose un metodo di definizione degli obiettivi basato sul calcolo dei costi ottimali. Nel 1994, a cura del WSA/WCA Engineering and Operation Commitee, fu pubblicato il Managing Leakage – Report C che definiva il livello economico di perdite, come «quel livello di perdite per il quale il costo marginale per il controllo attivo delle perdite è pari al co-sto marginale dell’acqua persa». È importante evidenziare come tutti gli approcci seguiti siano simili. Nel grafico che segue (Farley e Trow, 2003) è rappresentata la relazione generale esistente tra la spesa per interventi finalizzati alla gestione delle perdite e i costi di produzione unitari dell’acqua in funzione del livello delle perdite. In ogni caso i diversi autori sono concordi nel ritenere che una efficiente strategia di gestione delle perdite idriche si debba basare sulla raccolta di un numero di dati sufficienti a definire questa relazione per ogni zona di approvvigionamento o distretto del sistema di distribuzione. In questo contesto gestire praticamente la problematica delle perdite si riconduce allo sviluppo di strategie e pratiche di gestione appropriate, definendo target economicamente sostenibili in termini di livello di perdite di riferimento fissato dal gestore che deve essere nel tempo monitorato e mantenuto. L’attività di controllo delle perdite interagisce in maniera articolata con le diverse strutture operative di un’azienda idrica: gli addetti specializzati nel settore sono interessati all’ottimizzazione della metodologia, i gestori della rete ai benefici indotti dalla gestione della pressione, dalla distrettualizzazione e dalle misure che si rendono disponibili, mentre gli addetti alla gestione delle fonti di approvvigionamento sono interessati alle implicazioni sul bilancio idrico per pianificare le azioni finalizzate a soddisfare la domanda idrica

Unification of witnessing initial system-environment correlations and witnessing non-Markovianity

We show the connection between a witness that detects dynamical maps with initial system-environment correlations and a witness that detects non-Markovian open quantum systems. Our analysis is based on studying the role that state preparation plays in witnessing violations of contractivity of open quantum system dynamics. Contractivity is a property of some quantum processes where the trace distance of density matrices decrease with time. From this, we show how a witness of initial-correlations is an upper bound to a witness of non-Markovianity. We discuss how this relationship shows further connections between initial system-environment correlations and non-Markovianity at an instance of time in open quantum systems.Comment: 5 page

Geophytes and evolution in the Sicilian Archipelago

Geophytes occurring in the Sicilian archipelago are examined with respect to their distribution and evolution, and also taking into account correlations with the inner parts of this territory and other regions in the central Mediterranean

Screening Investments to Reduce the Risk of Hydrologic Failures in the Headwork System Supplying Apulia (Italy) – Role of Economic Evaluation and Operation Hydrology

The paper introduces and applies a methodology to screen investments aimed at reducing water supply risks due to hydrologic failures in headwork systems for municipal use, based on the principles of cost-benefit analysis. As risk includes both the probability of a failure and its effect, the methodology combines a simulation module of the system, fed by a stochastic hydrologic input to reproduce the probability distribution of the failures, with a metric for supply failure damage provided by the price – demand relationship for municipal water. Benefits are assessed as the averted damage compared to a base case without investments. This approach is then combined with the classic discounted cashflow approach of cost– benefit analysis to allow for the dynamics of both water supply and demand due to trends in population growth, individual consumption and, above all, planned reduction of losses in water distribution networks. The methodology is applied to screen a number of different supply-side projects for the headwork system supplying Apulia, in southern Italy featuring both regulated surface and groundwater resources and providing drinking water to over 4,000,000 persons. The procedure allows both ranking of single projects by their economical performances and the economic evaluation of combinations of different projects. The study also aims to assess the impact of the selected time scale, of cross-correlation among production sites, and of the specification of the demand function on projects' economic indicators. Results show that each modelling assumption has a considerable impact on the value of the economic indicators in absolute terms, but ranking of the different projects seems to be less sensitive to such modelling aspects

A simulation/optimization model for selecting infrastructure alternatives in complex water resource systems

The paper introduces a simulation/optimization procedure for the assessment and the selection of infrastructure alternatives in a complex water resources system, i.e. in a multisource (reservoirs) multipurpose bulk water supply scheme. An infrastucture alternative is here a vector X of n decision variables describing the candidate expansions/new plants/water transfers etc. Each parameter may take on a discrete number of values, with its own investment cost attached. The procedure uses genetic algorithms for the search of the optimal vector X through operators mimicking the mechanisms of natural selection. For each X, the value of the objective function (O.F.) is assessed via a simulation model. Simulation is necessary as the O.F. contains, besides investment costs, also incremental operation costs and benefits that depend on the incremental water amounts which the alternative can provide. The simulation model transforms a thirty-year hydrologic input at daily/monthly scale in water allocations, accounting for the usual non-negativity constraints and using some simple, sytem-specific rules aimed at reducing spills and at sharing water deficits among demand centres. Different O.Fs and constraints have been tested, such as incremental financial cost/benefit minimization under various maximum water deficit constraints scenarios or cost/benefit mimization including scarcity costs. This latter approach has the advantage of implicitly allowing for the magnitude of deficits, but requires the assessment of deficit-scarcity cost relationships. The application of the procedure to a water resources system in south-western Sicily shows that the model is able to converge to results that are consistent with the planning options expressed by the selected O.Fs

Multi-year drought frequency analysis at multiple sites by operational hydrology - A comparison of methods

This paper compares two generators of yearly water availabilities from sources located at multiple sites with regard to their ability to reproduce the characteristics of historical critical periods and to provide reliable results in terms of the return period of critical sequences of different length. The two models are a novel multi-site Markov mixture model explicitly accounting for drought occurrences and a multivariate ARMA. In the case of the multisite Markov mixture model parameter estimation is limited to a search in the parameter space guided by the value of parameter k to show the sensitivity of the model to this parameter. Application to two of the longest time series of streamflows available in Sicily (Italy) shows that the models can provide quite different results in terms of estimated return periods of historic droughts, although they seem to perform more uniformly when it comes to simulate drought-related statistics such as drought length, severity and intensity. The role of parameter selection for the multisite Markov mixture model and of the marginal probability of generated flows in providing results consistent with the characteristics of the observed series is discussed. Both models are applied to the system of sources supplying the city of Palermo (Sicily) and its environs showing the applicability of the newly developed multisite Markov mixture model to medium-to-large scale water resources systems

Environmental Benefits and Economical Sustainability of Urban Wastewater Reuse for Irrigation—A Cost-Benefit Analysis of an Existing Reuse Project in Puglia, Italy

Besides benefits associated to increased water availability for irrigation, reuse projects of urban water can also provide positive environmental impacts, as they contribute to improve water quality of the receiving bodies by diverting wastewater from their outlet. This represents a typical win-win situation where significant synergies can be achieved between urban and agricultural sector, and the environment. These favorable conditions, however, do not necessarily imply that water reuse is either feasible from an economic perspective nor that the underlying supply chain is going to be triggered, if certain conditions are not met. Cost-Benefit Analysis (CBA) is considered a sound, theoretically well-grounded tool to analyze the financial and economical sustainability of an investment. The paper presents the CBA of an existing reuse scheme in Puglia, in southern Italy, reclaiming wastewater for irrigation from a coastal area with growing recreational, beach-related activities. Supported by operational data, official statistics and sector documents, the CBA reveals that in almost all scenarios the existence of environmental benefits must be invoked in order to consider the project economically sustainable. Coherent screening of the different impacts, isolating the ones that are applicable to the specific case-study, shows that these benefits are mainly non-use benefits related to the aesthetic enjoyment of clean water in the reclaimed stretch of coastline where wastewater discharge may no longer take place or take place in a way that significantly reduce seawater pollutio

Le infrastrutture idriche: finanziamento, regolazione e mercato

Contrariamente a quanto avvenuto in Europa negli ultimi quindici anni in molti altri settori dove le reti infrastrutturali possono essere considerati come monopoli naturali e come tali storicamente di proprietà pubblica, il settore idrico in Italia è stato sostanzialmente immune dal processo di introduzione anche parziale di forme di competizione nel mercato fra operatori. Le ragioni di tale difficoltà sono certamente di tipo oggettivo, quali le caratteristiche tecniche ed economiche che rendono molto più difficile la competizione rispetto ad altri settori quali l’energia e le telecomunicazioni, l’elevato valore della rete infrastrutturale rispetto al valore delle risorsa, le implicazioni ambientali associate con l’utilizzo di una risorsa scarsa, ma anche di tipo soggettivo, e cioè il forte coinvolgimento degli enti locali nella gestione del servizio e la sostanziale avversione al suo trasferimento a soggetti privati o comunque terzi rispetto alle amministrazioni. La complessità della gestione del bene acqua è comunque ben presente nella legislazione comunitaria. Il primo considerato della direttiva 2000/60/CE, che istituisce un quadro per l’azione comunitaria in materia delle acque, recita «L’acqua non è un prodotto commerciale al pari degli altri, bensì un patrimonio che va protetto, difeso e trattato come tale». La stessa direttiva, analizzata sinteticamente più avanti, recita altresì al considerato numero quindici «La fornitura idrica è un servizio di interesse generale, come indicato nella comunicazione della Commissione «I servizi di interesse generale in Europa»», Com (281), 1996. A livello comunitario le indicazioni che si stanno sviluppando vanno chiaramente in queste direzioni: «pieno rispetto del quadro comunitario di riferimento su appalti e concessioni se non viene pregiudicata la missione di interesse generale; garanzia di un sistema di regole chiaro e certo; forte attenzione al tema della qualità, della tutela degli utilizzatori e della accessibilità; massima trasparenza delle procedure adottate, con definizione ex ante delle eventuali modalità di compensazione per obblighi di servizio pubblico e di servizio universale; nuove formule di governance per includere i soggetti interessati all’assolvimento della missione del servizio. Il presente rapporto ha come scopo quello di dimostrare che l’applicazione di questi principi nel contesto italiano, nel rispetto della pubblicità e accessibilità della risorsa idrica e della proprietà pubblica delle reti, non deve necessariamente tradursi nella gestione pubblica dei servizi, ma che anzi l’introduzione di elementi di concorrenza possono coesistere con questo assetto e generare benefici per gli utenti. Fra gli elementi di criticità che impediscono lo sviluppo in Italia di un mercato di fornitura dei servizi efficiente e con livello tecnologico comparabile con quello dei Paesi più avanzati il rapporto ne identifica due di particolare importanza. Il primo è la necessità di istituire un sistema di regolazione e controllo indipendente e con forti competenze specifiche, all’interno del quale ridefinire un sistema tariffario efficiente che consenta, anche operando in difesa degli utenti del servizio, l’equa remunerazione del capitale di rischio e della capacità imprenditoriale dell’impresa. L’altro è la possibilità di innovare i meccanismi di finanziamento delle reti infrastrutturali, che permetta anche di ridurre la durata degli affidamenti ed una maggiore competizione nella fornitura dei servizi. In ogni caso qualunque proposta di riforma per essere credibile deve contenere una scelta coerente con il contesto legislativo europeo sulle modalità di finanziamento del sistema, cioè delle aliquote dei costi di investimento e gestione da porre a carico della fiscalità generale e delle tariffe individuali. Il rapporto, partendo da una analisi sulle specifiche caratteristiche della risorsa acqua e sulle modalità che ne regolano l’accesso, descrive successivamente il fabbisogno degli investimenti nelle reti infrastrutturali di settore in Italia, la situazione attuale del settore e le proposte legislative in itinere o presentate. Nei paragrafi finali sono descritte le innovazioni che in quest’ultimo argomento possono essere introdotte nelle modalità di finanziamento degli investimenti e si avanzano alcune proposte la cui introduzione potrebbe contribuire a creare condizioni favorevoli all’auspicabile sviluppo del settore in termini di efficienza economica ed efficacia nella fornitura del servizio. In appendice è infine sviluppato un confronto con altre realtà europee sui sistemi di regolazione e sulle modalità di finanziamento degli investimenti

Connection among entanglement, mixedness and nonlocality in a dynamical context

We investigate the dynamical relations among entanglement, mixedness, and nonlocality, quantified by concurrence C, purity P, and maximum Bell function B, respectively, in a system of two qubits in a common structured reservoir. To this aim we introduce the C-P-B parameter space and analyze the time evolution of the point representative of the system state in such a space. The dynamical interplay among entanglement, mixedness, and nonlocality strongly depends on the initial state of the system. For a two-excitation Bell state the representative point draws a multibranch curve in the C-P-B space and we show that a closed relation among these quantifiers does not hold. By extending the known relation between C and B for pure states, we give an expression among the three quantifiers for mixed states. In this equation we introduce a quantity, vanishing for pure states, which in general does not have a closed form in terms of C, P and B. Finally, we demonstrate that for an initial one-excitation Bell state, a closed C-P-B relation instead exists and the system evolves, remaining always a maximally entangled mixed state