Acquedotti e Fognature

Acquedotti e fognature

Acquedotti

Gli acquedotti sono opere atte a distribuire l’acqua captata e potabilizzata all’utenza. Sono formati da 4 impianti:

• Impianto di attingimento: sono le opere necessarie alla captazione, alla regolazione ed alla derivazione delle acque sotterranee (generalmente non si utilizzano le acque di falda superficiali perché troppo soggette ad infiltrazioni e piogge per poter essere usate con uno scopo idropotabile) e/o superficiali (laghi o fiumi). Qualunque sia la fonte, la devo monitorare per almeno un anno e se in questo anno non si modificano quantità e qualità dell’acqua uscente, allora posso procedere con la costruzione dell’impianto di attingimento. Attorno alla fonte devo avere 3 zone di sicurezza: la zona di tutela (in un raggio di 10 m dalla fonte) in cui non posso avere nessun tipo di attività, la zona di rispetto (200 m) in cui non posso avere varie attività, come ad esempio il pascolo o lo stazzo del bestiame (transumanza) e la zona di protezione (più ampia) in cui non possono esserci insediamenti ed edifici.
• Impianto di potabilizzazione: garantisce la potabilità dell’acqua attraverso trattamenti fisici, chimici o biologici.
• Impianto di trasporto o adduzione (o acquedotto esterno): porta le acque dall’impianto di attingimento a quello di distribuzione. Si divide in primario (attingimento potabilizzazione) e in secondario (potabilizzazione distribuzione). Può essere a pelo libero, più antico, o in pressione, moderno. Il trasporto può avvenire per gravità o mediante delle pompe, dipendentemente dal paesaggio.
• Impianto di distribuzione: è un complesso formato da serbatoi (utili per le emergenze), rete di distribuzione (complesso di tubazioni, apparecchiature e pezzi speciali utili alla distribuzione agli utenti) e relative diramazioni fino al punto di consegna agli utenti. Può essere reticolare, ramificato o misto.

Fognature

Le fognature sono un complesso di canalizzazioni e manufatti atti a raccogliere ed allontanare le acque reflue civili ed industriali (acque nere) e meteoriche (acque bianche). Possono essere:

• Separate: due reti di canali diverse per i due tipi di acque.
• Unitarie: un’unica rete per i due tipi di acque.
• Miste: 2 reti diverse per le 2 tipologie di acque, ma in comunicazione, in modo che la parte più sporca delle acque bianche vada a depurarsi insieme alle acque nere. Questo perché si è visto che la parte iniziale delle acque meteoriche è fortemente inquinata dato che raccoglie qualsiasi cosa depositatasi sulle strade, quindi la norma oggi come oggi impone che un’aliquota delle acque meteoriche venga depurata. Prima, diversamente da oggi, si credeva che le acque meteoriche fossero abbastanza pulite e quindi si immettevano direttamente nei corpi idrici superficiali senza che fossero minimamente trattate.

Generalmente le fognature sono in tubazioni circolari sotterranee a pelo libero.

Dettagli sugli acquedotti

Acquedotti → Impianto di attingimento: vado a prendere acqua superficiale o sotterranea; l’emungimento da quest’ultima mi va a generare un moto di filtrazione, descritto dalla legge di Darcy v=Ki. Nel caso di acque sotterranee posso emungere da falda o da sorgente. Nel caso di emunzione da falda emungo da pozzo e posso trovarmi in due situazioni diverse:

• Falda artesiana: posso scrivere, con D=diametro del pozzo, h0=altezza dell’acqua nel pozzo (dalla base della falda) e H=altezza dell’acqua originale. La formula lega la portata emunta all’abbassamento dinamico della falda in modo direttamente proporzionale.
• Falda freatica: posso invece scrivere, con Δ=H-h0.

L’emunzione da sorgente viene invece fatta utilizzando una trincea drenante, ossia una costruzione sotterranea rinterrata che va a raccogliere le acque della sorgente. Essa deve avere una dimensione tale da poter intercettare la massima portata possibile dalla sorgente. Nel caso di sorgenti, le opere di scopertura vanno fatte con estrema cautela. Per quanto riguarda le acque superficiali, posso prelevare da lago, corsi d’acqua o falde freatiche superficiali.

Nel caso di approvvigionamento da lago vado ad utilizzare delle torri di presa, che prendono acqua ad una profondità tale da essere abbastanza distanti dalla superficie da non avere apprezzabili escursioni termiche e microbiologiche e abbastanza distanti dal fondo per richiamare torbidità e vegetazione. Devo inoltre prevedere un costante monitoraggio delle caratteristiche del lago nelle diverse zone e a diverse profondità. Nel caso di approvvigionamento da corso d’acqua devo costantemente monitorare le caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche dell’acqua, nonché il regime idrologico e la quantità e natura dei sedimenti che vengono trasportati. Il prelievo va fatto a valle di insediamenti e scarichi e laddove non fosse possibile, allora lo vado a fare abbastanza a monte. Utilizzo per il prelievo un edificio di pompaggio se la portata da prelevare è piccola rispetto alla portata di magra, un’opera di presa con traverse se invece è grande.

Impianto di potabilizzazione

La qualità dell’acqua, chiaramente regolata dalla legge, dipende dalle sue caratteristiche, dai trattamenti di potabilizzazione ai quali è sottoposta o è stata sottoposta, dai sistemi di trasporto e distribuzione e dalla gestione dei vari impianti di un acquedotto. Affinché un’acqua sia potabile, sono richiesti vari parametri in relazione ai suoi aspetti:

• Fisici: torbidità, sapore, odore, colore e temperatura.
• Chimici: pH, resistività elettrica, durezza, residuo fisso e valori dei parametri chimici.
• Microbiologici

Gli impianti di potabilizzazione permettono di correggere tutti questi aspetti che non sono a norma di legge, andando a rimuovere i solidi grossolani e quelli sedimentabili, la torbidità (solidi colloidali), e modificando le caratteristiche chimiche, organolettiche e microbiologiche.

Impianto di trasporto

Il trasporto avviene in tubazioni chiuse e in pressione, in modo da garantire una salvaguardia termica e igienica dell’acqua. La scelta del tipo di tubazioni e posa dipende dal terreno (natura e morfologia), dall’acqua e dalle sue caratteristiche, dal clima e dalle pressioni interne ai tubi. Generalmente le tubazioni vengono poste ad una profondità di 1-1,5 m in modo da andare a diminuire la combinazione di carichi agenti su di esse: mezzi viaggianti, rinterro e pressione interna (quest’ultima è però costante e in questo calcolo ha un’importanza relativa). Vanno inoltre considerati eventuali elementi corrosivi interni ed esterni, quindi eventuali rivestimenti, e il possibile avvallamento delle condotte, spesso risolto andando a ricoprire le tubazioni con il terreno di scavo.

Considerato tutto ciò, va scelto il tracciato di percorrenza delle tubazioni: esso dipende da necessità idrauliche, economiche e dall’accessibilità. Guardando soltanto alla necessità economica, si sceglie il percorso più breve, spesso però addobbato di avvallamenti e depressioni, che rispettivamente causano accumuli d’aria e sedimentazione di materiale solido. Anche andando a dotare le tubazioni di sfiati e scarichi, bisogna in ogni caso trovare un compromesso tra la necessità economica e quella idraulica. La necessità di accessibilità si risolve spesso mettendo le tubazioni affianco o sotto alle strade, in modo che siano facilmente raggiungibili.

Generalmente si fa la verifica dell’impianto a tubi nuovi, quindi in condizioni ottimali, e la verifica a tubi usati, quindi in condizioni pessime. Per il dimensionamento, si ipotizza che la tubazione sia infinitamente lunga e che la linea dei carichi totali coincida con la linea piezometrica. Utilizzo quindi delle formule pratiche di resistenza che utilizzano la cadente J, la portata Q e il diametro interno del tubo D, che generalmente hanno la forma \( J = K \cdot KQ^\alpha /D^{\text{inv}} \), dove K è una costante legata all’invecchiamento della tubazione (=1 per i materiali plastici) e α è compreso tra 1,78 e 1,82. Questo mi permette di trovare il diametro delle tubazioni D, che è chiaramente un diametro teorico. Prenderò il diametro commerciale che più ci si avvicina.

Dimensionamento degli impianti

Andiamo a vedere il dimensionamento di un impianto, che può essere a gravità o a sollevamento meccanico.

Impianti a gravità

Conosciuti Q, H ed L, H è la perdita di carico totale tra valle e monte, differenza di quota tra il pelo libero del serbatoio a monte e il pelo libero del serbatoio a valle, L è la lunghezza della condotta, allora posso trovare \( J = H/L \) con la formula di resistenza trovo il diametro D teorico, dal quale ricavo il diametro commerciale Dc prendendo quello immediatamente superiore a D. Generalmente alla fine della canalizzazione, prima del serbatoio di monte, vado a mettere una valvola che mi dà una perdita di carico localizzata, dato che a causa della scelta di un diametro commerciale maggiore di quello teorico, mi trovo a dover dissipare un carico maggiore. Sia a tubi nuovi che a tubi vecchi, il termine H ingloba anche la perdita di carico localizzata che si ha per la valvola, perdite che chiamo rispettivamente ytn e ytu (ytn>ytu).

Un approccio alternativo di dimensionamento va invece a dividere l’impianto in 2 tratti a diametri differenti, in modo da poter giocare sulle lunghezze dei due tratti sulle perdite di carico, permettendomi di non mettere la valvola alla fine della canalizzazione. La valvola viene comunque messa perché il dimensionamento è fatto a tubi usati; a tubi nuovi ho comunque un carico più alto di quello che mi serve. Questi diametri sono D1 < D teorico < D2. In linea di massima, mettendo il tratto con diametro D1 minore a valle, sono in grado di far funzionare il tutto. Devo però sempre garantire che la piezometrica sia 5 m al di sopra del fondo in modo da scongiurare qualsiasi possibile contaminazione dall’esterno, se ciò non succede (casi particolari) vado invece ad invertire l’ordine, mettendo a valle il tratto con diametro D2 maggiore. Anche in questo caso ho che \( J = H/L \).

Nel caso invece di condotta formata da una serie di tronchi con portate costanti e decrescenti tra uno e l’altro, il problema è idraulicamente indeterminato. Utilizzo il criterio di massima economia degli acquedotti consortili, che mi dice che tra le infinite soluzioni al problema, quella economicamente migliore è quella secondo la quale la cadente di ogni tronco i è data da \( h_i = C \cdot Q_i^{\alpha} \), con la costante di proporzionalità C ricavabile dalla seguente formula: \( h_i = \frac{C}{J_i} \). Ricavo quindi la J di ogni tronco e da lì, con la formula di resistenza, ricavo i diametri interni teorici e successivamente quelli commerciali.

Oltre alle già citate sopra verifiche sull’interramento (almeno 1-1,5 m) e sui 5 m dal fondo, si deve anche fare una verifica sulla velocità dell’acqua. Questa deve essere compresa tra i 0,5 e i 3 m/s, così evitando fenomeni di sedimentazione, eccessivo riscaldamento ed eccessive sollecitazioni dei giunti. \( v = Q / A \), dove A è l’area della sezione di tubazione, quindi \( \pi D^2 /4 \). Se trovo una velocità troppo alta, allora vado ad aumentare il diametro interno commerciale della tubazione, se invece trovo una velocità troppo bassa, allora vado a mettere una pompa.

Impianti a sollevamento meccanico

Gli impianti a sollevamento meccanico utilizzano una o più elettropompe per il trasporto dell’acqua. Vengono usati quando il carico H è negativo oppure positivo ma non sufficiente a superare la velocità minima di 0,5 m/s. Un’elettropompa è descritta dalle seguenti caratteristiche:

• Portata Q [m³/s]: è la portata che la pompa è in grado di sollevare.
• Prevalenza H [m]: è il carico aggiuntivo che la pompa è in grado di fornirmi.

Il tratto di condotta a valle della pompa si chiama condotta di aspirazione, mentre il tratto a monte si chiama condotta di mandata (o condotta premente). Insieme ad una pompa mi è sempre fornita la sua curva caratteristica o caratteristica interna, una curva che mi mostra i suoi possibili punti di funzionamento. Considerata la curva caratteristica dell’impianto o caratteristica esterna, che mi descrive il funzionamento dell’impianto, quindi data una portata circolante, quale sarà il carico che l’elettropompa dovrà vincere. Questo carico si compone di una prevalenza geodetica Hg (data dalla differenza di quota tra i due punti) sommata al dislivello tra le pressioni assolute nei due serbatoi Δ (se questi fossero in pressione) e alle perdite di carico continue e localizzate. Generalmente però i termini dati dalle perdite di carico localizzate e dalla pressione non li ho, in più la pompa viene messa appena dopo il serbatoio di aspirazione, quindi la condotta di aspirazione non c’è. In questa situazione \( H = Hg + JmLm \). Andando ad intersecare le due curve trovo il punto di lavoro della pompa nell’impianto, ossia la portata e la prevalenza della pompa nel mio impianto. La curva più bassa si riferisce alla condizione di tubi nuovi, mentre la curva più alta alla condizione di tubi usati, quindi durante la vita dell’impianto si ha uno spostamento dal punto al punto. Un’ulteriore grandezza importante per le elettropompe è la potenza assorbita \([kW]\), dove il termine al numeratore mi indica la potenza netta, mentre il termine al denominatore mi indica il rendimento. Il rendimento è un termine sempre <1 dipendente dalla portata. Il costruttore, infatti, insieme all’elettropompa mi fornisce sempre anche la curva rendimento-portata, che mi mostra come una pompa funziona al meglio soltanto in un range ristretto di portate.

Fatta questa introduzione, andiamo a vedere il vero e proprio dimensionamento di un impianto con sollevamento meccanico. Conosco Hg, Q ed L, quindi mi resta da scegliere la pompa e dimensionare il condotto. Il problema è idraulicamente indeterminato, quindi vado ad applicare una valutazione economica per trovare il risultato migliore. Per diametri troppo grandi ho un’alta spesa di investimento iniziale, con una ridotta spesa di esercizio, mentre per diametri troppo piccoli ho bassi costi di investimento ma alti costi di esercizio. Devo minimizzare la funzione costo annuo dell’impianto in funzione del diametro D, costo annuo che è dato dal costo di esercizio annuale + costo di investimento ammortato (ossia come se fosse spalmato su più anni come se pagassi un tot all’anno). Nella pratica progettuale ciò si fa andando ad individuare il range di diametri tecnicamente ammissibili, quindi i diametri calcolati utilizzando \( v = 0,5 \text{ m/s} \) e \( v = 3 \text{ m/s} \) (dalla formula \( Q = vA \), con \( A = \text{area della condotta} \pi D^2 /4 \), trovo i diametri commerciali compresi tra questi due (saranno massimo 3 o 4) e per ciascuno di questi trovo il corrispondente H (sapendo che \( H = Hg + JL \), dove J mi viene dato dalla formula pratica di resistenza contenente D). Da questo H scelgo poi una pompa a cui, per quell’H, corrisponde un rendimento massimo o quasi. Alla fine mi trovo con 3 o 4 pompe e sceglierò quella che mi costa meno. Negli esercizi fatti in aula si prende una velocità compresa tra il massimo e il minimo, poi da quella prendo il diametro teorico DN (diametro nominale) immediatamente superiore al diametro esterno corrispondente meno 2 volte lo spessore per trovare il diametro interno commerciale. Verifico la velocità per vedere se è compresa tra i limiti.

La verifica è più semplice: identifico il punto di lavoro della pompa andando a costruire la caratteristica esterna dell’impianto (lo faccio facendo variare il valore di Q nella formula di H). Trovo il Q di lavoro, trovo la velocità dell’acqua v (da \( v = Q/A \)) e verifico che sia compresa tra 0,5 e 3 m/s. Posso trovarmi di fronte anche un impianto con più di un’elettropompa. Queste pompe accoppiate possono essere:

• In parallelo: parto analizzando il caso più semplice, ossia di pompe uguali. L'obiettivo, con un sistema di pompe in parallelo, è di incrementare la portata da sollevare. Due pompe in parallelo, infatti, data una prevalenza, nel disegno della caratteristica interna, mi permettono di sommare le portate che singolarmente solleverebbero. Nel mio caso le due pompe sono uguali, quindi la portata sollevata raddoppia. Andando infatti a disegnare la curva esterna e ad individuare il punto di lavoro, noto che la portata Q e la prevalenza H aumentano rispetto all’avere una singola pompa. Più la curva esterna tende all’orizzontale, più l’accoppiamento in parallelo è efficace. L’orizzontale viene avvicinato man mano che la condotta tende ad accorciarsi (non lo raggiungo mai però a causa delle sempre presenti perdite di carico). Per individuare il rendimento di una singola elettropompa, dal punto di lavoro traslo in orizzontale fino alla caratteristica interna della singola pompa, trovando un punto al quale corrisponde la portata Q che utilizzo nella curva portata-rendimento per identificare il rendimento. In caso di due pompe differenti, la procedura per calcolare la caratteristica interna è la stessa: ad ogni H sommo le due portate.
• In serie: in questo caso l’obiettivo è l’aumento della prevalenza. La costruzione della curva caratteristica quindi funziona concettualmente nello stesso modo, ma al posto che sommare le Q, sommo le prevalenze H (in figura sto considerando il caso più semplice, ossia di pompe uguali tra di loro). Anche qui, costruendo la caratteristica esterna noto che il punto di lavoro ha una portata e una prevalenza maggiori rispetto al caso di una pompa singola. Qui, l’efficienza dell’abbinamento in serie aumenta al verticalizzarsi della curva, cosa che accade man mano che la condotta si allunga. Anche qui la costruzione della caratteristica interna nel caso di pompe diverse segue lo stesso principio.