Acquedotti e Fognature

Acquedotti e Fognature

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

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.

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 scoprimento

vano 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 nono 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 mi 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 vado ad ipotizzare 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 α β

utilizzano la cadente J, la portata Q e il diametro interno del tubo D, che generalmente hanno la forma J = K KQ /D

inv

, dove K =costante legata all’invecchiamento della tubazione (=1 per i materiali plastici) e α compreso tra 1,78 e

inv

→ →

1,82 mi permettono di trovare il diametro delle tubazioni D, che è chiaramente un diametro teorico prenderò il

diametro commerciale che più ci si avvicina.

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

→

Partiamo con gli 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 da 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 , con la costante di proporzionalità C ricavabile dalla seguente formula:

h . Ricavo quindi la J di ogni tronco e da li, con la formula di resistenza, ricavo i diametri interni teorici e

fffff successivamente quelli commerciali.

F 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 e eccessive sollecitazioni dei giunti. v = Q / A , dove A è l’area

2

della sezione di tubazione, quindi πD /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.

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:

3

- portata Q [m /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 al

→

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 lata 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

→ →

2

utilizzando v = 0,5 m/s e v = 3 m/s (dalla formula Q = vA, con A = area della condotta πD /4) trovo i

min max

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 diametro esterno corrispondente meno 2 volte lo spessore per trovare il diametro interno commerciale

→ verifica sulla 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’obbiettivo, 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 e 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 lo stesso ad ogni H sommo le

due portate.

- in serie: in questo caso l’obbiettivo 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