Appunti di Acquedotti e fognature

Indice

• Lezione I – La risorsa idrica ............................................................................................................... 1
• Lezione II – Il sistema di approvvigionamento idrico ........................................................................... 2
• Lezione III – Captazione delle acque ................................................................................................. 5
• Lezione IV – Captazione delle acque superficiali ............................................................................... 9
• Lezione V – Acquedotto esterno ...................................................................................................... 11
• Lezione VI – Impianti di sollevamento ............................................................................................... 2
• Lezione VII – Serbatoi di compenso e regolazione .............................................................................. 6
• Lezione VIII – I materiali .................................................................................................................. 11
• Lezione IX – Apparecchiature .......................................................................................................... 15
• Lezione X – Opere d’arte ................................................................................................................. 17
• Lezione XI – Reti di distribuzione ..................................................................................................... 19
• Lezione XII – Modelli matematici per la verifica delle reti di distribuzione ............................................ 1
• Lezione XIV – Sistemi di drenaggio .................................................................................................... 2
• Lezione XV – Dimensionamento degli spechi ..................................................................................... 9
• Lezione XVI – Fognature praticabili e non ......................................................................................... 11
• Lezione XVII - Sifoni ........................................................................................................................ 14
• Lezione XVIII - Scaricatori ............................................................................................................... 15
• Lezione XIX – Effetti dell’urbanizzazione sul ciclo biologico .............................................................. 17
• Lezione XX - Laminazione ............................................................................................................... 18

Lezione I – La risorsa idrica

La risorsa idrica, ovvero l’acqua, viene utilizzata per diversi fini:

• Civile (10%)
• Agricolo (80%)
• Industriale (10%)

Nel 1994 entra in vigore la Legge Galli, poi sostituita dal D.lgs. del 2006 “Norme in materia ambientale” che stabilisce i tre pilastri su cui si basa il Sistema Idrico Integrato:

• Il territorio nazionale è suddiviso in ambiti territoriali, in cui si individua un unico gestore
• Viene pagato un servizio, e la tariffa sarà proporzionata ad esso
• Per la realizzazione delle opere si è passati all’autofinanziamento tramite tariffa

Un sistema acquedottistico deve rispettare i requisiti di efficienza, efficacia ed economicità:

• Efficienza: deve lavorare costantemente nel tempo
• Efficacia: deve mantenere le stesse prestazioni nel tempo

Quando si decide di procedere alla progettazione di un acquedotto si deve prima di tutto stabilire la vita utile dell’opera, che mediamente si aggira intorno ai 40 anni; si deve inoltre individuare il tempo necessario per ammortizzare i costi delle spese.

L’acqua prelevata da una qualsiasi fonte di approvvigionamento, prima di essere consegnata alle utenze, deve possedere determinate caratteristiche per essere dichiarata potabile; nel caso in cui non vi sia il requisito, l’acqua dovrà passare attraverso un impianto di potabilizzazione.

L’acqua ad uso potabile deve presentare diverse caratteristiche:

• Caratteristiche qualitative
• Caratteristiche organolettiche, quelle percepite dagli organi di senso: deve essere priva di sostanze tossiche, come arsenico, cadmio, cianuro, cromo, nichel ecc. Inoltre deve risultare gradevole al gusto in base a dei caratteri organolettici.
  • Temperatura (5° - 15°, meglio se 9° - 12°): temperature troppo elevate possono causare la proliferazione batterica
  • Limpidità (assoluta)
  • Colore (assente)
  • Odore (assente)
• Caratteristiche fisiche:
  • pH
  • Durezza, misurata in gradi francesi, da 0 a 60; da 0 a 10 acqua molle, da 10 a 20 intervallo ottimale, da 20 in su acqua dura che può ledere le tubazioni
• Caratteristiche chimiche
• Caratteristiche microbiologiche:
  • Carica batterica totale (assenza di coliformi), in quanto l’acqua fa da vettore ad agenti patogeni che possono essere portatori di malattie; né si verifica la presenza tramite indici microbiologici

Le acque presenti nel sottosuolo sono generalmente acque di buona qualità e, per questo motivo, risultano potabili; mentre le acque captate da fonti superficiali risultano maggiormente contaminate, a causa del loro contatto diretto con l’atmosfera, infine quelle di peggior qualità sono le acque salmastre, le quali necessitano di un ulteriore processo di dissalazione.

I trattamenti atti alla potabilizzazione delle acque sono di tre tipi:

• Il trattamento fisico semplice: consiste nell’eliminazione dei corpi in sospensione e nella disinfezione tramite cloro che protegge l’acqua fino a 24 ore
• Il trattamento fisico chimico normale e disinfezione
• Il trattamento fisico chimico spinto, con raffinazione e disinfezione, nel caso di acque più inquinate

Il trattamento delle acque viene fatto anche tramite raggi UV, che azzerano la carica batterica ma non proteggono del tutto l’acqua.

Lezione II – Il sistema di approvvigionamento idrico

Un acquedotto è un’opera ingegneristica complessa composta da una serie di altre opere, alcune essenziali, altre facoltative.

Tra gli elementi essenziali troviamo:

Mentre, tra gli elementi facoltativi troviamo gli impianti di potabilizzazione e le opere di sollevamento, che si inseriscono come di seguito all’interno del circolo:

Per cui, l’intero complesso acquedottistico risulta così composto:

Per il progetto di un acquedotto risulta importante capire quale sarà il quantitativo d’acqua necessario a soddisfare la domanda nel tempo di vita utile dell’opera, circa 40 anni. Bisogna quindi stimare la popolazione che si dovrà servire in futuro e quanta acqua serve ad ognuno.

La popolazione può essere distinta in residente, fluttuante, benché non abbia la residenza si trova comunque a vivere in data città, e turistica.

Per la stima della popolazione si hanno diverse leggi di crescita utilizzabili:

Legge di crescita lineare

1) Legge di crescita lineare = + 0

Dove:

• Rappresenta la popolazione nel n – esimo anno, calcolabile tramite legge di regressione lineare
• È un coefficiente angolare, calcolabile tramite legge di regressione lineare
• Rappresenta la popolazione attuale, quella dell’ultimo censimento 0
• Rappresenta il numero di anni che intercorrono tra e 0

Legge dell’interesse composto

2) Legge dell’interesse composto (1 = + ) 0

Dove rappresenta il tasso di incremento annuo.

Legge di crescita esponenziale

3) Legge di crescita esponenziale = 034)

Legge di crescita logistica

Legge di crescita logistica () = () ( − )

Questa legge presenta un limite superiore dato da che rappresenta la popolazione di saturazione.

Il fabbisogno idrico pro-capite rappresenta il quantitativo d’acqua necessario ad ogni utente, questo varia in base al tipo di utenza, abitazioni private, edifici pubblici, commerciali etc.

La dotazione idrica pro-capite rappresenta il quantitativo d’acqua complessivo per ogni utente e per ogni giorno, compresi sprechi e perdite. Per piccole città si ha una dotazione di circa 250 ℓ/, mentre per città più grandi si parla di dotazioni di circa 400 ℓ/. È pari al consumo totale d’acqua, da parte di tutte le utenze, diviso il numero di residenti aumentato del 10% per coprire perdite e sprechi.

Il consumo idrico pro-capite, infine, rappresenta il quantitativo d’acqua effettivamente fruito da ogni utente.

La differenza tra fabbisogno e consumo idrico si verifica nel caso in cui siano presenti limitazioni nell’approvvigionamento o nella distribuzione dell’acqua; quando queste non sono presenti il fabbisogno ed il consumo coincidono.

La portata risulta essere molto variabile durante l’anno, per cui definiamo le seguenti portate, disposte in ordine decrescente: > > > (portata media annua, portata media mensile del mese i-esimo, portata media giornaliera, portata media giornaliera come media oraria).

Si possono anche definire i seguenti coefficienti di punta:

• Variazione dei consumi durante l’anno (): = 1 > > 1
• Variazione dei consumi durante il mese (): = 1,10 < < 1,25
• Variazione dei consumi durante il giorno (): Ⅎ = 1,32 < < 1,56 Ⅎ Ⅎ

I seguenti coefficienti vengono utilizzati per il calcolo della portata di progetto, quindi per il dimensionamento dell’opera:

• Portata media nell’anno di massimo consumo: = Dove rappresenta la dotazione e la popolazione dell’n – esimo anno.
• Portata media nel giorno di massimo consumo = ()
• Portata media nell’ora di massimo consumo = () Ⅎ Ⅎ

Le perdite possono essere individuate in più punti del complesso sistema di approvvigionamento idrico:

• Perdite all’interno dell’acquedotto esterno, individuabili facilmente, in quanto si tratta di una singola tubazione, confrontando la portata in uscita e quella in entrata, misuratore di portata
• Perdite nella condotta di avvicinamento, individuabili nella stessa maniera delle precedenti
• Perdite all’interno della rete di distribuzione, questo tipo di perdita può essere confermata, in base alla sua posizione, come segue:
  • Nel caso sia fuori città si misura l’umidità del suolo; un aumento esponenziale di tale parametro indica la presenza di una perdita
  • Nel caso sia dentro la città si verifica la presenza di acqua nel manto stradale, le condotte passano vicino alla strada, o controllando nella notte, quando le condotte della fognatura sono secche, se vi è presenza d’acqua

Il volume prodotto, ovvero l’acqua presa da una sorgente, può essere diverso dal volume immesso nella rete a causa della presenza di tubi vecchi, giunti vecchi o allacci abusivi.

Il volume immesso in rete, quindi, può essere diviso in volume fatturato e volume non fatturato, imputabile a perdite e/o ad allacci abusivi.

Lezione III – Captazione delle acque

La scelta dell’opera di presa dipende dal tipo di acqua e dalla fonte di approvvigionamento. Le acque possono essere:

• Acque non convenzionali: utilizzate quando le acque convenzionali sono in esaurimento. Comprendono acque reflue, acque marine e acque salmastre.
• Acque convenzionali: utilizzate in larga scala possono essere distinte in base alla posizione rispetto al piano di campagna in:
  • Acque superficiali, fiumi, laghi
  • Acque sotterranee, sorgenti, falde

La falda è una zona del terreno satura di acqua gravitazionale, si può distinguere in:

• Falda freatica, in cui le formazioni permeabili sono occupate solo nella parte inferiore dall’acqua e poggiano su uno strato impermeabile, mentre la parte superiore è esposta alla pressione atmosferica
• Falda artesiana, in cui le formazioni permeabili sono comprese da due strati impermeabili che formano rispettivamente il letto ed il tetto della falda.

Quando lo strato poroso viene perforato da un’opera di captazione, pozzo, si crea una differenza di pressione che fa risalire l’acqua spontaneamente attraverso esso. La falda artesiana è una falda acquifera in pressione, infatti il piano dei carichi si trova a una quota superiore rispetto alla superficie di falda.

Le fonti di approvvigionamento possono essere distinte in:

• Classe A, sorgenti, assolutamente insufficienti a soddisfare da sole la richiesta idropotabile
• Classe B, falde
• Classe C, superficiali

Captazione di acque da sorgente

Ai fini della captazione da sorgente è importante distinguere l’affioramento geologico da quello reale. L’affioramento geologico è il luogo da cui fuoriesce l’acqua dalla formazione geologica in cui si trova la falda, mentre l’affioramento reale può avere luogo da una formazione detritica che ricopre tale formazione geologica.

La prima importante regola da rispettare nella captazione è quella di mettere a nudo l’affioramento geologico della sorgente, rimuovendo l’eventuale ammasso detritico.

Le opere di presa di una sorgente che sbocca in un solo punto sono costituite innanzitutto da un cunicolo incassato nella roccia; intorno a questo devono essere realizzati opportuni sistemi di drenaggio per evitare l’ingresso delle acque superficiali. Per sorgenti di una certa importanza il cunicolo deve essere praticabile per poter effettuare tutte quelle operazioni di pulizia e manutenzione.

La portata arriva in una prima camera, camera di raccolta, che funge anche da vasca di calma o sedimentazione, nella quale la corrente arriva ad una velocità molto bassa in modo tale da consentire la sedimentazione. Questa vasca è dotata di uno scarico di fondo, per effettuare lo svuotamento completo della vasca stessa, e di un fondo con pendenza verso lo scarico.

Dalla vasca di calma si passa ad una vasca di presa, tramite uno stramazzo, utilizzato anche per la misurazione della portata. Questa vasca è anch’essa dotata di uno scarico di fondo e anche di una valvola unidirezionale dall’esterno verso l’interno, per evitare l’ingresso di animali, uno sfioratore superficiale di troppo pieno e un filtro di presa che deve essere posizionato ad almeno 50 cm di altezza dal fondo della vasca, evita l’ingresso della sabbia, e non troppo in alto da permettere l’ingresso d’aria.

È poi presente una camera di manovra, in cui sono ubicati tutti gli organi di comando delle varie tubazioni. Questa camera può essere provvista di illuminazione naturale, ma deve essere ben separata dalle altre vasche per evitare che siano illuminate direttamente, formazione di alghe.

Captazione di acque da falda

Una falda può essere intercettata da due tipi di opere: le gallerie filtranti e i pozzi.

Le gallerie filtranti sono utilizzate per lo più in caso di falde freatiche, quindi per profondità modeste.

Nel caso di profondità ridotte, massimo 8 m di ricoprimento, queste gallerie sono realizzate all’interno delle normali trincee di scavo. Intorno alla galleria si pone del materiale drenante di diametro variabile, 4 / 5 cm, mentre, al di sopra della galleria, e per tutta la larghezza della trincea, si pone uno strato di materiale impermeabile per impedire la penetrazione delle acque superficiali all’interno della galleria stessa.

Il cunicolo in cui confluisce l’acqua è poi collegato ad una vasca di raccolta e di carico per il sollevamento tramite pompaggio.

Le controindicazioni circa la realizzazione delle gallerie filtranti sono dovute agli alti costi e al fatto che possono ledere la qualità dell’acqua.

I pozzi possono essere ordinari o a raggiera.

I pozzi ordinari sono praticabili e hanno una sezione circolare con diametro minimo di circa 1 m per profondità massime dell’ordine di 10 / 12 m. La parete del pozzo presenta dei fori che permettono l’ingresso dell’acqua.

I pozzi a raggiera hanno un diametro sufficientemente grande per poter lavorare al loro interno, 3 / 4 m; nella falda sono presenti delle tubazioni metalliche disposte a raggiera.

Pozzo in falda artesiana

Si abbia una falda in uno strato di terreno permeabile di spessore costante, racchiuso tra due formazioni impermeabili.

L’obiettivo è quello della determinazione dell’abbassamento, o depressione, della falda a seguito dell’emungimento della portata: Ⅎ = = 2 ∫ Ⅎ = ∫2 Ⅎ 0 2 − Ⅎ = − ln[ln ]0 2 2 2 = ln2

La portata aumenta molto poco all’aumentare del diametro del pozzo.

Pozzo in falda freatica

In questo caso siamo in una situazione simile a quelle delle correnti a pelo libero.

In questo caso avremo: Ⅎ = = 2Ⅎ ∫ Ⅎ Ⅎ = ∫2 Ⅎ 0 22Ⅎ | = − ln[ln ]2 2 2Ⅎ 0 2 = ln)( + Ⅎ 0

Anche in questo caso la portata aumenta molto poco all