Ingegneria idraulica - Appunti

Corso di costruzioni idrauliche a.a. 2008-2009

Programma del corso

Acquedotti civili

• Fabbisogno di acqua potabile
• Opere di presa
• Acquedotto esterno
• Impianti di sollevamento
• Serbatoi
• Reti di distribuzione interna

Reti di drenaggio urbano

• Schemi di reti di drenaggio
• Proporzionamento e verifica di collettori fognari misti
• Opere d’arte
• Materiali per tubazioni

Cenni sul trattamento dei reflui urbani

• Materiali per tubazioni

Lezione I – Fabbisogno idropotabile

Determinazione della portata di progetto

Per determinare la portata di progetto di un acquedotto civile bisogna:

• Stabilire la durata tecnica dell’acquedotto (in genere 30-40 anni);
• Stimare la popolazione da servire lungo tutta la durata dell’opera;
• Stabilire la dotazione idrica pro capite.

Tipologie di utenze in un centro abitato

• Abitazioni private (uso potabile, cucina, pulizia personale, pulizia biancheria e casa, etc.);
• Edifici pubblici (scuole, ospedali, ospizi, caserme, edifici religiosi, uffici, etc.);
• Servizi pubblici (lavaggio ed innaffiamento strade, pulizia fogne, giardini, servizio antincendio, etc.);
• Servizi commerciali e turistici (alberghi, pensioni, negozi, bar, camping, etc.);
• Attività artigianali ed industriali (officine, piccole industrie, laboratori, lavanderie, etc.).

Abitazioni private

Edifici pubblici

Servizi pubblici

Servizi commerciali e turistici

Attività artigianali ed industriali

Perdite e sprechi d'acqua

In Italia le perdite sono in media il 20% (ISTAT, 1987), in Campania in media il 40% con punte del 70% (Aversa). Non si tratta però esclusivamente di perdite reali, ma soprattutto di perdite contabili. Le perdite reali fisiologiche di una rete di acquedotto non dovrebbero superare il 5%. Le perdite non sono facilmente determinabili: si stimano come differenza tra i volumi d’acqua derivati dalle opere di presa e quelli contabilizzati alle utenze.

Il DM 97 del 1999 impone, ai fini di un miglior controllo delle perdite, la realizzazione di reti distrettualizzate. Per la individuazione dei punti di perdita lungo una tubazione esistono diverse tecniche (es. risonanza magnetica, metodi acustici, etc.). Gli sprechi si verificano a seguito di un uso improprio dell’acqua potabile da parte degli utenti (es. innaffiare giardini con acqua potabile). La possibilità di ridurre gli sprechi attraverso l’impiego di due reti di distribuzione distinte (reti duali) non ha finora trovato applicazioni concrete.

Dotazione idrica pro capite

Il Piano Regolatore Generale degli Acquedotti (DM del 1967) stabilisce le seguenti dotazioni pro capite secondo le dimensioni del centro abitato:

Attualmente è più opportuno fare riferimento a valori maggiori per i residenti:

Portata di progetto dell’acquedotto

Q = (q_R N_R + q_F1 N_F1 + q_F2 N_F2) / 86400

Q è la portata media giornaliera assunta a base della progettazione dell’acquedotto e rappresenta la dotazione destinata alla popolazione residente N_R; q_R è la dotazione per gli abitanti fluttuanti che trascorrono mezza giornata nel comune; q_F1 è la dotazione per gli abitanti fluttuanti che trascorrono nel comune l’intera giornata.

Variabilità dei consumi idrici

Variabilità mensile

Variabilità giornaliera e oraria

Coefficiente di punta giornaliero: α_g = Q_maxg / Q

Coefficiente di punta oraria: α_h = Q_maxh / Q

Coefficienti di punta giornalieri e orari

Per piccoli centri (< 50000 ab): α_h = 0.22 - 0.220 / N

Lezione II – Captazione delle sorgenti e delle acque superficiali

Fonti convenzionali di approvvigionamento idrico

(DPR n.515/82):

• Acque sotterranee
• Acque superficiali

Le acque sotterranee si distinguono in:

• Acque di sorgente
• Acque di falda (freatica o artesiana)

Le acque superficiali sono quelle che si possono captare da:

• Corsi d’acqua naturali
• Laghi (naturali o artificiali)

Aree di salvaguardia delle risorse idriche

(art.21 comma 1 del D.L.11 maggio 1999 n. 152, integralmente riproposto nell’art.94 comma 1 del D.L. 3 aprile 2006 n.152 "norme in materia ambientale")

Su proposta delle autorità d’ambito, le regioni, per mantenere e migliorare le caratteristiche qualitative delle acque superficiali e sotterranee destinate al consumo umano erogate a terzi mediante impianto di acquedotto che riveste carattere di pubblico interesse, nonché per la tutela dello stato delle risorse, individuano le aree di salvaguardia distinte in zone di tutela assoluta e zone di rispetto, nonché, all'interno dei bacini imbriferi e delle aree di ricarica della falda, le zone di protezione.

Zona di tutela assoluta

La zona di tutela assoluta è l’area immediatamente circostante le captazioni; deve avere un’estensione in caso di acque sotterranee e, se possibile, per acque superficiali, di almeno dieci metri di raggio dal punto di captazione, deve essere protetta e adibita esclusivamente alla captazione e alle infrastrutture di servizio.

Zona di rispetto

La zona di rispetto è l’area circostante la zona di tutela assoluta, da sottoporre a vincoli e destinazioni d’uso tali da tutelare qualitativamente e quantitativamente la risorsa idrica captata. Nella zona di rispetto sono vietate numerose attività a rischio di inquinamento (dispersione di fanghi ed acque reflue; stoccaggio e uso di sostanze chimiche; dispersione di acque meteoriche; aree cimiteriali; cave; pozzi; gestione di rifiuti; pascolo e stabulazione di bestiame). Le regioni disciplinano, all’interno delle zone di rispetto, le fognature, l’edilizia residenziale e le opere di urbanizzazione; le infrastrutture di servizio; la distribuzione di concimi chimici e fertilizzanti in agricoltura nei casi in cui esista un piano di fertilizzazione. In assenza di individuazione, la zona di rispetto ha un’estensione di 200 metri di raggio intorno al punto di captazione.

Zone di protezione

Le zone di protezione sono delimitate dalle regioni per la protezione del patrimonio idrico. Comprendono le aree di ricarica della falda e le sue emergenze naturali o artificiali. In esse si possono adottare misure, limitazioni e prescrizioni urbanistiche.

Captazione delle sorgenti

Ai fini della captazione di una sorgente è necessario portarne a giorno l’affioramento geologico.

Classificazione delle sorgenti

• Sorgente di valle o di emergenza
• Sorgente di vetta

Opere di presa

Opere di presa da piccole sorgenti

Opera di presa da sorgente

Opera di presa da lago ai fini idropotabili

Opera di presa da fiume per piccole portate

Traversa fluviale

Clorazione

Tutte le acque destinate al consumo potabile sono sottoposte a trattamenti di disinfezione prima della distribuzione all’utenza. La disinfezione, in genere effettuata con ipoclorito di sodio o altri derivati del cloro, consente da un lato di eliminare eventuali batteri presenti nell’acqua e, dall’altro, garantisce la sua protezione dall’eventuale contaminazione nella fase di distribuzione all’utenza.

Il trattamento di clorazione avviene sovente nelle vasche dell’opera di presa, ma viene normalmente eseguito anche in serbatoi, partitori, torrini di carico o direttamente nelle condotte idriche. Il DPR n. 386 del 1988 consiglia una concentrazione di 0.2 mg/l per il cloro residuo disciolto nell’acqua al punto di messa a disposizione dell’utenza.

Lezione III – Moti di filtrazione

Modellazione matematica dei moti di filtrazione

La modellazione matematica dei moti di filtrazione si basa sulla validità della relazione empirica di Darcy:

dH/dx = q/f = -J

• q è la velocità di filtrazione, che rappresenta la portata che defluisce attraverso una superficie unitaria ortogonale alla direzione x del moto;
• H è la quota piezometrica;
• J è la cadente piezometrica nella direzione del moto;
• f è la conducibilità idraulica del terreno.

È importante osservare che la velocità di filtrazione non è la velocità con la quale si muovono nella realtà le particelle idriche attraverso i vuoti del terreno.

Conducibilità idraulica del terreno

La conducibilità idraulica di un terreno dipende dalla geometria dei vuoti lasciati liberi dalle particelle solide del terreno e dalle proprietà fisiche dell’acqua:

γ = 2f_kd / μ

• k prende il nome di permeabilità intrinseca ed è legata alla tortuosità dei percorsi che l’acqua segue all’interno del terreno;
• d è un diametro caratteristico delle particelle costituenti il terreno (ad es. d₅₀);
• γ è il peso dell’unità di volume dell’acqua;
• μ è la viscosità dinamica dell’acqua.

La conducibilità idraulica si determina sperimentalmente, attraverso prove di laboratorio su campioni di terreno o, preferibilmente, con delle indagini di campo.

Variabilità della conducibilità idraulica

A causa dell’enorme variabilità delle forme e delle dimensioni delle particelle costituenti lo scheletro solido, la conducibilità idraulica varia moltissimo con la categoria del terreno:

Captazione dell’acqua dalle falde sotterranee

La captazione dell’acqua dalle falde sotterranee viene effettuata scavando appositi pozzi, all’interno dei quali viene di solito posta una pompa sommergibile, che provvede a fornire all’acqua di falda l’energia necessaria a raggiungere una vasca di raccolta posta in superficie. All’accensione della pompa si manifesta una depressione rispetto al livello raggiunto dall’acqua in quiete all’interno del pozzo.

Lo studio del comportamento idraulico dei pozzi si riconduce di solito, per semplicità, a schemi geometrici semplificati, per i quali è possibile ricavare una espressione analitica del legame tra la portata emunta e la depressione del livello idrico all’interno del pozzo.

Pozzo totalmente penetrante in falda artesiana indefinita di spessore costante

Q = (πQ / 2f) ln(R/r₀)

R è detto raggio di influenza del pozzo. Al prodotto fs = T si dà il nome di trasmissività dell’acquifero.

Pozzo in falda freatica indefinita a fondo orizzontale

Q = (πQ / f) ln(R/r₀) (δ - 2H)

Trincea drenante in falda freatica indefinita a fondo orizzontale

q = (2fL) (δ - 2H)

La distanza L ha lo stesso significato del raggio di influenza del pozzo.

Pozzi ordinari

Si realizzano in falde freatiche a limitata profondità dalla superficie libera (3 - 5 m). Ampie sezioni circolari di diametro minimo di 1 - 2 m. Profondità totale del manufatto inferiore a 10 – 12 m. La struttura del foro è in muratura realizzata in opera ovvero da anelli prefabbricati (talvolta posizionati con il sistema dell’autoaffondamento).