Appunti Acquedotti e fognature

Acquedotti e fognature

La risorsa idrica

Circa il 97% dell’acqua sulla Terra è acqua salina, che è difficilmente e non direttamente utilizzabile ai fini umani (i processi per renderla potabile sono molto costosi). L’acqua non salata invece, chiamata anche freshwater, è solo una piccola parte di tutta quella presente sulla Terra. Dove sta quest’acqua? Si trova nei ghiacciai, nelle calotte polari (zone lontane dalle zone abitate), sottoterra (ground water, o acque di falda) e sulla superficie (surface water). Ai nostri fini, utilizziamo solo queste ultime due tipologie, per la facilità con cui possono essere prelevate (a patto che la ground water sia ragionevolmente vicina alla superficie terrestre).

Uso della risorsa idrica

L’uso della risorsa idrica è diviso in tre macrosettori:

• Civile (uso potabile e non potabile);
• Agricolo;
• Industriale;

Il settore agricolo è il responsabile del maggior consumo d’acqua nel mondo, circa dell’80%, il restante 20% viene distribuito tra uso civile e industriale. Le proporzioni tra le distribuzioni d’uso dipendono molto dalla zona geografica in cui ci troviamo, dallo sviluppo industriale e dalla densità demografica. Ad esempio, in Sardegna, il consumo è distribuito come segue: industriale 10%, agricola > 70%, civile 20%.

Captazione e trattamento delle acque

L’uomo si è inserito in un contesto naturale modificando l’ambiente per poterci vivere. La prima operazione effettuata dall’uomo per inserirsi nella natura si chiama ‘captazione della risorsa idrica’, ossia l’intercettazione della risorsa idrica in un punto dello spazio. In seguito alla captazione, viene effettuato un controllo della qualità attraverso processi chimici, per capire se è compatibile con l’uso che ne si vuole fare; se la risposta fosse negativa allora sarebbero necessarie alcune opere di trattamento delle acque, chiamate di potabilizzazione.

Da qua inizia il viaggio dell’acqua dal punto di prelievo al punto di consumazione attraverso l’acquedotto (acquedotto esterno), una volta arrivati vicino al luogo l’acqua viene immagazzinata all’interno dei serbatoi da cui poi, attraverso la rete urbana di distribuzione, viene distribuita nella città. Per quanto riguarda le acque di scarico, che devono essere allontanate dalla città (problemi igienici e rischio epidemie) tramite una rete di drenaggio urbano (fognature o rete di collettamento delle acque).

Sistema idrico integrato (SII)

Prima di essere restituite alla natura (al corpo idrico ricettore) queste acque devono essere ripulite tramite degli impianti di trattamento delle acque, i depuratori. Quello appena descritto viene chiamato sistema idrico integrato (SII), ossia integra il ciclo idrologico naturale con l’inserimento dell’uomo all’interno di un ciclo naturale. Il S.I.I. è costituito dalla gestione delle opere necessarie per fornire i servizi suddetti, ma anche dalla manutenzione delle opere esistenti e dalla realizzazione di nuove opere e comprende inoltre tutte le attività collaterali ma non per questo meno importanti, quali il risparmio idrico, la protezione delle sorgenti e il riuso delle acque depurate.

Quadro normativo

Il quadro normativo è nato dalla Legge Galli del 1994 (Legge n. 36 del 5 gennaio 1994), sostituita e integrata dalla Legge 152 (D.Lgs. n. 152 del 3 aprile 2006), che è un decreto unico in termini ambientali. Quest’ultima ha introdotto il concetto di S.I.I., insieme ad altri concetti fondamentali:

• Ambito territoriale ottimale (ATO): il territorio nazionale è diviso in ambiti territoriali ottimali ed in ciascuno di essi un unico gestore cura i servizi idrici relativi all’intero ciclo delle acque;
• La tariffa dei servizi idrici è passata da una forma di tassazione determinata in funzione di scelte politico-economiche ad una forma di prezzi commisurati ai costi del servizio;
• La realizzazione delle opere è passata dal finanziamento pubblico all’autofinanziamento tramite la tariffa.

I principi generali di questa legge sono:

• Tutte le acque sono pubbliche e costituiscono una risorsa irrinunciabile da utilizzarsi in modo razionale e secondo criteri di solidarietà;
• L’uso delle acque deve essere effettuato salvaguardando le aspettative e i diritti delle generazioni future a fruire di un integro patrimonio ambientale;
• L’uso delle acque è indirizzato al risparmio ed al rinnovo delle risorse e in maniera da non pregiudicare il patrimonio idrico, la vivibilità dell’ambiente, l’agricoltura, la fauna, le flore acquatiche e gli equilibri idrogeologici;
• L’uso delle acque per il consumo umano è prioritario (gli usi diversi dal consumo umano sono consentiti nei limiti nei quali le risorse idriche siano sufficienti e a condizione che non ne pregiudichino la qualità).

Sistema acquedottistico

Un acquedotto è l’insieme delle opere finalizzate all’approvvigionamento e al trasporto di acqua per gli usi a cui è destinata. È distinto in diverse operazioni (o funzioni), alcune di queste sono necessarie altre invece opzionali, a seconda delle situazioni qualitative e geografiche che affrontiamo:

• Necessarie: captazione, trasporto, serbatoio, rete
• Accessorie: impianti di potabilizzazione, impianti di sollevamento

Le caratteristiche dell’acqua che vengono distribuite all’utenza dipendono dall’uso che si intende farne:

• Civile potabile (consumo umano) e non potabile (lavaggio, condizionamento, innaffiamento giardini ecc.);
• Rurale qualità compatibile con l’uso irriguo, zootecnia, ittiogenico;
• Industria dipendono dall’utilizzo che devo farne, produttivo o raffreddamento;

Si realizza comunque, a fronte di diversi usi, una sola rete, che deve soddisfare l’uso che richiede la qualità dell’acqua più elevata. Il sistema acquedottistico può quindi essere riassunto in base alle funzioni, oppure in termini più concettuali come un insieme di componenti di funzioni e requisiti. Si trova quindi in mezzo tra risorsa idrica (funzione di spazio e tempo) e richiesta idrica. Deve soddisfare dei requisiti prestazionali di efficienza (deve essere in grado di lavorare costantemente nel tempo), efficacia (deve mantenere le stesse prestazioni nel tempo) ed economicità (produce l’effetto con un prezzo ragionevole).

Iter progettuale

Quali sono i passi fondamentali per la progettazione di un acquedotto?

• Periodo di durata preventiva dell’opera (vita utile): ci si chiede quale è la durata tecnico economica dell’opera che andremo a realizzare, quali rischi può subire nella vita utile, e come suddividere i costi di realizzazione durante la vita dell’opera. La durata di vita utile si stabilisce in base alla durata di vita utile (perdono caratteristiche fisiche e meccaniche) dei componenti che costituiscono l’opera stessa. PRGA (piano regionale di gestione degli acquedotti), è un documento regionale nel quale viene indicato al progettista il periodo di vita utile dell’opera, stabilita di circa 40 anni (per la Sardegna).
• Valutazione dei consumi e delle relative portate necessarie per soddisfare le utenze. Bisogna in sostanza capire quindi quanta acqua serve per andare incontro ai bisogni delle persone. Per fare questo devo sapere il numero di popolazione da servire, e la dotazione idrica (portata consumata dalla singola utenza). La dotazione idrica è circa 200/250 litri;
• Bilancio idrico di lungo periodo: confronto la domanda idrica con la risposta idrica, in modo tale da pareggiarle;
• Dimensionamento delle opere di prelievo, trasporto, accumulo e distribuzione;

Qualità delle acque per uso potabile

L’acqua potabile deve avere alcune caratteristiche:

• Non deve portare danno alla salute del consumatore (per la presenza di agenti di malattie infettive o sostanze tossiche);
• Deve risultare gradevole e rinfrescante in base ai caratteri organolettici:
• Temperatura, 5° - 15°, meglio se 9° - 12°;
• Limpidità (assoluta);
• Colore (assente);
• Sapore (gradevole);
• Odore (assente);
• Non deve recare danno alle opere di captazione, trasporto e distribuzione (limitata attitudine incrostante ed erosiva);

La fonte di approvvigionamento, inoltre, ne determina la qualità di partenza:

• Acque di pioggia;
• Acque sotterranee, qualità elevata, non necessitano di trattamento, ma non sono direttamente captabili (pozzi max 100 m, oltre non conviene economicamente);
• Acque superficiali, necessitano di trattamento, ma sono immediatamente captabili;
• Acque di mare;

Abbiamo detto che l’acqua deve essere incolore, insapore, inodore. Questo perché colori anomali si hanno in presenza di sali di ferro, calcio o manganese, sostanze organiche, sostanze vegetali ecc. In quanto all’odore di possono avere odori solfidrici che possono essere originati da materiali in via di putrefazione, ma talora possono anche derivare dalle rocce attraversate dalle acque. Il sapore viene variamente alterato dalle diverse sostanze chimiche in eccesso. Il solfato di magnesio o cloruro di magnesio dà sapore amarognolo, i sali di ferro sapore astringente o metallico. I sali di calcio danno sapore terroso mentre sali alcalini danno sapore salino.

Parametri fisici e chimici delle acque

I parametri fisici più comuni di un’acqua sono:

• Temperatura, ha un valore guida di 12 °C e un limite da non superare di 25 °C;
• Conducibilità elettrica, esprime il contenuto di sali minerali dell’acqua. Il valore consigliato è di 2500 µS/cm (micro-Siemens per centimetro) a 20 °C.

Per acque profonde è importante che questi due parametri si mantengano costanti. Infatti, se essi subiscono brusche e significative variazioni, è senz’altro il segnale che sono venute a contatto con acque superficiali da cui potrebbero aver avuto una contaminazione.

I parametri chimici più comuni di un’acqua sono:

• pH, l’acqua in genere ha una reazione neutra o lievemente acida. Valori troppo alti o troppo bassi del pH potrebbero avere un significato diretto di pericolosità, acque troppo acide o alcaline che circolano in tubazioni metalliche, possono risultare aggressive mandando in soluzione sostanze che influiscono negativamente sulla gradevolezza dell’acqua (ferro, manganese, zinco), o potrebbero essere addirittura tossiche (piombo, cadmio);
• Durezza, esprime il contenuto complessivo di sali alcalino-terrosi, soprattutto calcio e magnesio. Si distingue in durezza fissa e temporanea, la prima è dovuta in massima parte ai bicarbonati ed in minima parte ai fosfati e ai silicati, ed è così denominata perché scompare in seguito a prolungata ebollizione, la seconda è dovuta ai cloruri, solfati e nitrati e non scompare in seguito a ebollizione. Viene misurata in gradi francesi e deve avere un valore tra 5 e 20;
• Residuo fisso, a 180 °C indica il peso delle sostanze solide disciolte contenute, prevalentemente sali minerali. Il valore massimo consigliato è di 1500 mg per litro;
• Sostanze tossiche o indesiderabili, queste comprendono elementi e composti dotati di una propria intrinseca tossicità, la cui presenza nelle acque è dovuta ad inquinamenti della più diversa origine. Fra questi ricordiamo: arsenico, cadmio, cianuro, cromo, nichel, piombo, antimonio, selenio, antiparassitari, idrocarburi policiclici aromatici.

Caratteri microbiologici

Il controllo microbiologico ha lo scopo di accertare che l'acqua non sia o non possa diventare un veicolo di trasmissione di microrganismi patogeni al fine di evitare l'insorgere di gravi epidemie per trasmissione idrica. Gli agenti patogeni delle malattie che possono essere trasmesse attraverso l'acqua sono batteri a localizzazione intestinale (tifo, paratifo, dissenteria, colera), virus (enterovirus, virus dell'epatite A, virus della poliomielite) nonché protozoi e uova di vermi intestinali (tenie, ascaridi).

Tale ricerca è lunga e laboriosa; inoltre, l'inquinamento da patogeni è spesso saltuario per cui, pur con inquinamento in atto (ma discontinuo), l'esame praticato su un singolo prelievo può dare esito negativo. Per questo motivo ci si serve di indici microbiologici, quali la determinazione della carica batterica totale (a 22 e a 36 °C) e gli indici di contaminazione fecale. La carica batterica totale serve a dare un'idea sulla qualità complessiva dell'acqua. Un indice più specifico è costituito dai microrganismi indicatori di inquinamento fecale. Tale indagine consiste nella ricerca dei coliformi fecali e totali.

Normativa

I requisiti di qualità delle acque sono valutati sulla base dei valori e delle indicazioni relativi ai parametri forniti dalla normativa. La concentrazione massima ammissibile (C.M.A.) di ciascun parametro non può essere superata. I valori guida (V.G.) sostituiscono obiettivi al cui raggiungimento l’amministrativa attività deve tendere. In caso di non conformità dell’acqua rispetto alla tabella dei parametri ministeriali, si hanno diverse alternative:

• Abbandono della fonte;
• Miscelazione, se la qualità delle acque è discutibile posso miscelarle, e le concentrazioni verranno un minimo regolate;
• Impianto di potabilizzazione.

Il sistema di approvvigionamento idrico

Sommario:

• Elementi principali di un sistema acquedottistico
• Previsioni demografiche
• Fabbisogni, dotazioni e consumi
• Perdite

Definizione di acquedotto

Un acquedotto è l’insieme delle opere di ingegneria necessarie per:

• Prelevare
• Trattare, eventualmente al fine di conformare la qualità delle acque di partenza in acqua potabile
• Trasferire la risorsa che parte da un punto iniziale e viene poi trasferita in un secondo punto
• Immagazzinare temporaneamente l’acqua dentro dei serbatoi per far sì che domanda e offerta siano compatibili con le funzioni temporali;
• Distribuire la distribuzione capillare dell’acqua che arriva nelle abitazioni di ciascuno.

L’acquedotto distribuisce acqua potabile quale sia la sua destinazione. Si sceglie l’uso più conservativo, l’uso che ha la richiesta qualitativa più elevata. Se distribuisco acqua potabile facendo riferimento all’uso umano, che determina il livello più alto di acqua potabile, lo faccio per motivi economici. In questa maniera distribuisco l’acqua soltanto con una rete, un insieme soltanto di tubature o di opere, non distinguendo la qualità delle acque. La distinzione in eventuale necessità di distribuire acque con qualità diverse implicherebbe la costruzione di più reti tante quante sono le qualità dell’acqua fornite. Questo non è perseguibile dal punto di vista ingegneristico perché con il numero di reti aumenta il costo dell’opera per distribuire le acque.

L’acquedotto ha degli elementi essenziali per il suo funzionamento:

• Opera di Presa, è l’opera che prende la risorsa dalla sua sede e la porta ‘via’, viene dettagliata a seconda del gruppo di prelievo (fiume, lago, diga, corso, sorgente) in quanto, ciascuna di essa necessita di un’opera di presa diversa. Il punto di presa (la risorsa) è localizzata nello spazio e la sua disponibilità è variabile nel tempo. Questa risorsa viene poi spostata verso un punto di utilizzo (una città, un paese);
• Adduzione o Acquedotto Esterno, è l’opera di spostamento della risorsa e avvicina l’acqua al centro di utilizzo;
• Serbatoio Cittadino, viene realizzato in prossimità del paese ed è un punto di accumulo della risorsa. Serve per far sì che la risorsa che arriva dal punto di presa venga temporaneamente accumulata e poi distribuita nella città;
• Condotta di Avvicinamento, collega il serbatoio alla rete;
• Rete di Distribuzione, è una rete capillare che arriva fino alle singole utenze.

Questi elementi si susseguono l’una appresso all’altra. È composto inoltre da elementi aggiuntivi (o accessori) che dipendono a seconda della qualità di partenza dell’acqua, del posizionamento reciproco dell’opera di presa e del serbatoio cittadino che, possono necessitare di un’opera di:

• Sollevamento;
• Impianto di Potabilizzazione, che esegue il trattamento delle acque a seconda della qualità di partenza delle acque e può essere posto a convenienza immediatamente dopo l’opera di presa o prima del serbatoio cittadino.

Questi elementi si interpongono a quelli fondamentali in alcuni punti specifici. Per esempio, tra l’opera di presa ed il serbatoio cittadino ci può essere un impianto di sollevamento che consente di andare da un punto a quota più bassa ad un punto a quota più alta. Di conseguenza invece la posizione dell’impianto di potabilizzazione dipende a sua volta dalla posizione dell’acquedotto esterno. Ci sono due soluzioni:

1. Impianto di potabilizzazione posto immediatamente vicino all’opera di presa (di solito l’acqua viene presa dalla diga, immediatamente c’è l’impianto di potabilizzazione a valle della diga e da lì parte l’acquedotto esterno).
2. L’acquedotto esterno arriva all’impianto di potabilizzazione prima di entrare nel serbatoio cittadino (esempio, Cagliari ha un impianto di potabilizzazione in Via Cornalias, che proviene dalle dighe del Flumendosa, e da lì viene spostata al serbatoio cittadino di San Michele).

Sistema idrico di un acquedotto

Si parte da un’opera di presa che si pensa essere superiore al serbatoio cittadino e, quest’ultimo si collega all’opera di presa tramite un acquedotto esterno. Il serbatoio cittadino è collegato alla città tramite una condotta singola che viene detta di avvicinamento, questa...