Appunti Di Acquedotti 2006-07 [PDF]

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Enrico Piga

LE OPERE DI ADDUZIONE Appunti di Costruzioni Idrauliche per gli allievi del nuovo ordinamento

Università degli Studi di Cagliari Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria del Territorio Sezione di Idraulica

Queste dispense raccolgono e riordinano il materiale didattico delle lezioni riguardanti le opere d’adduzione, con lo scopo di fornire agli allievi del nuovo ordinamento didattico un riferimento ed un ausilio allo studio della disciplina. Esse pertanto non costituiscono un testo completo della materia e potranno essere utilmente integrate consultando le principali opere sugli acquedotti riportate nella bibliografia.

1. GENERALITA' SUGLI ACQUEDOTTI Prende il nome di ACQUEDOTTO l'insieme delle tubazioni, dei manufatti e delle apparecchiature destinate all'approvvigionamento idrico delle utenze. In dipendenza della natura di queste ultime, gli acquedotti vengono distinti in acquedotti civili, acquedotti industriali ed opere d'irrigazione: • gli acquedotti civili sono destinati alla copertura dei fabbisogni idropotabili dei centri urbani; • gli acquedotti industriali sono destinati all'approvvigionamento idrico delle industrie; • le opere d'irrigazione sono infine destinate a soddisfare le necessità idriche delle colture. I tre tipi di opere condividono la maggior parte delle problematiche progettuali e costruttive e si differenziano tra loro solamente per alcuni aspetti. In particolare, a seconda che l'utenza da servire sia costituita dalla popolazione di un insediamento urbano, dalle industrie di una area industriale o dalle aziende di un comprensorio irriguo, saranno ovviamente differenti le modalità di valutazione delle portate di dimensionamento, i requisiti di qualità delle acque e la struttura della rete di distribuzione, che costituisce la parte terminale del sistema. Nell'ambito del corso sarà trattato solamente il problema del dimensionamento degli acquedotti civili; tuttavia, tenendo a mente le differenze sopra accennate, l'approccio generale alla progettazione, i criteri e le alternative da considerare per il dimensionamento idraulico ed il disegno dei principali manufatti lungo linea sono essenzialmente gli stessi per i tre tipi di opere.

1.1. Schema di un acquedotto civile Prima di procedere all'esame del processo di dimensionamento, conviene illustrare sommariamente le varie opere ed impianti costituenti un acquedotto facendo riferimento al semplice schema al servizio di un unico centro urbano riportato nel profilo di figura 1.1.

Figura 1.1 – Schema di un acquedotto.

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Partendo da monte, la prima opera del sistema è l'opera di presa o di captazione. Essa, come dice lo stesso nome, assolve la funzione di captare la risorsa idrica e renderla disponibile per le successive fasi di trattamento, trasporto, accumulo e distribuzione. La forma generale dell'opera di presa dipende dal tipo di risorsa captata: essa è costituita da un sistema di vasche nel caso di prese di sorgenti, da pozzi tubolari o da gallerie drenanti nel caso di captazione di falde profonde o superficiali (figura 1.2), da traverse dotate di derivazione laterale o di impianti di sollevamento nel caso di prese da corsi d'acqua, da torri di presa nel caso di acque superficiali derivate da opere d’invaso (figura 1.3).

Figura 1.2 – Opere di presa di acque sotterranee: presa da sorgente e presa da falda.

Figura 1.3 – Opere di presa di acque superficiali: presa da un corso d’acqua mediante sollevamento e presa da un invaso mediante torre di presa.

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Subito a valle dell'opera di presa è usualmente ubicato l'impianto di trattamento che conferisce all'acqua le caratteristiche di potabilità richieste eliminando mediante processi fisici e chimici le sostanze indesiderate presenti nell'acqua grezza.

Figura 1.4 – Attraversamento stradale in cunicolo.

Dall'impianto di potabilizzazione origina l'acquedotto esterno, costituito usualmente da una rete aperta di condotte adduttrici in pressione posate in fossa interrata che alimentano i serbatoi d'accumulo ubicati nelle immediate vicinanze dei centri urbani. Lungo l'adduttrice sono presenti numerose opere d'arte: manufatti d'attraversamento in corrispondenza agli incroci tra la condotta e la rete viaria, la rete ferroviaria ed i corsi d'acqua (figure 1.4 e 1.5), eventuali impianti di sollevamento, partitori a pelo libero e in pressione, vasche di disconnessione nonché numerosi piccoli manufatti detti pozzetti, destinati ad ospitare le apparecchiature di manovra e regolazione (figura1.6).

Figura 1.5 –Attraversamento aereo di un corso d’acqua.

Nella maggior parte dei sistemi d’approvvigionamento il manufatto terminale dell'acquedotto esterno è costituito da un serbatoio di testata, interrato, seminterrato o pensile (figure 1.7 e 1.8), che svolge funzioni di regolazione delle portate e di riserva a fronte di interruzioni dell'adduzione e di prelievi per lo spegnimento degli incendi. Dal serbatoio inizia infine la rete di distribuzione, costituita da una sistema di condotte posate in ogni strada del centro che assicurano la fornitura di acqua potabile a tutti gli utenti. A fronte di particolari morfologie del territorio circostante il centro, al posto del serbatoio di testata viene realizzato un torrino piezometrico mentre il manufatto d'accumulo, chiamato in questo caso serbatoio di estremità, è disposto alla periferia opposta del centro ed è alimentato tramite la stessa rete di distribuzione.

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Figura 1.6 – Pozzetto di scarico.

Non tutte le opere sopra indicate sono sempre presenti in ogni acquedotto: esse infatti dipendono dalle caratteristiche della risorsa e dei centri da servire, dalla morfologia e dalla altimetria dei territori attraversati e dalla densità della rete viaria e idrografica, le quali condizionano sostanzialmente la soluzione progettuale adottata. In presenza di acque con buone caratteristiche potabili, ad esempio, l'impianto di trattamento può consistere nel solo stadio di disinfezione mentre, a seconda del territorio interessato dal tracciato, possono mancare i manufatti di attraversamento, i partitori o le centrali di sollevamento.

Figura 1.7 – Serbatoio interrato con impianto di sollevamento.

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Figura 1.8 – Serbatoio pensile.

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2. LA QUALITÀ DELLE ACQUE POTABILI 2.1. Le caratteristiche delle acque naturali In tutte le acque naturali sono sovente presenti, in differente misura a seconda della risorsa considerata, sostanze solide e gassose in soluzione, sostanze solide in sospensione, sostanze organiche morte ed organismi viventi. Le acque meteoriche contengono in soluzione i gas costituenti l'atmosfera, mentre non presentano, se non occasionalmente, sostanze solide ed organiche. Esse costituiscono una risorsa quantitativamente marginale per l'uso civile e la loro utilizzazione è limitata a piccoli sistemi di raccolta, talvolta adottati per l'alimentazione di case isolate. Le acque superficiali hanno caratteristiche molto variabili sia nel tempo che da sito a sito. Sono in generale poco mineralizzate ma contengono residui organici, microrganismi anche patogeni e sostanze inquinanti di varia natura derivanti dagli scarichi dei centri urbani o presenti sul suolo. Soprattutto nei periodi più piovosi esse presentano una forte torbidità ed un alto contenuto di materie in sospensione. Grazie al processo di filtrazione cui sono sottoposte lungo il loro percorso, le acque sotterranee sono usualmente povere di sostanze organiche mentre hanno spesso un elevato contenuto di sostanze solide e gassose disciolte, in dipendenza dalla natura dei terreni attraversati. Sovente esse presentano caratteristiche idonee all'uso potabile, richiedendo limitati trattamenti depurativi e di disinfezione. Tra di esse, in particolare, le acque di sorgente sono state le prime risorse tradizionalmente captate per l'uso potabile. Le principali sostanze gassose in soluzione nelle acque superficiali e sotterranee sono l'azoto, l'ossigeno e l'anidride carbonica. Esse sono presenti in percentuali differenti da quelle dell'atmosfera, sia per la diversa solubilità in acqua dei gas sia in quanto gli strati superficiali del suolo interessati dal deflusso e dall'infiltrazione sono sede di intensi processi biochimici e sono molto ricchi di anidride carbonica. La maggior parte di sostanze solide disciolte nelle acque naturali è costituita dai bicarbonati, dai solfati e dai cloruri di calcio, magnesio, sodio e potassio, presenti sia come molecole indissociate che come ioni positivi e negativi. I sali di calcio e di magnesio costituiscono la durezza dell'acqua, che si usa distinguere in durezza temporanea e durezza permanente. La prima è costituita dai bicarbonati e viene eliminata mediante riscaldamento, che trasforma i bicarbonati in carbonati scarsamente solubili che precipitano, mentre la seconda è prevalentemente costituita da solfati e, in piccola parte, da cloruri, fosfati ed altri sali. La durezza dell'acqua viene usualmente espressa in gradi francesi, la cui unità corrisponde a 10 mg/l di CaCO3. Tra le altre sostanze disciolte nelle acque naturali rivestono importanza i sali di ferro e manganese che, pur non essendo in genere in quantità tale da risultare nocivi, conferiscono all'acqua sapore e colore sgradevoli. Sono inoltre spesso presenti cloruri, solfati, fosfati e floruri in quantità molto variabili da caso a caso, derivanti dal dilavamento dei terreni e delle formazioni rocciose interessate dal deflusso. Il totale dei sali disciolti costituisce il residuo fisso, che si ottiene per riscaldamento ed evaporazione, ed il residuo 6

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secco, ottenibile per ulteriore riscaldamento dopo la completa evaporazione, per i quali le norme di potabilità fissano dei limiti di accettabilità. Di particolare rilevanza sono infine i composti dell'azoto, e, in specifico, l'ammoniaca, i nitriti ed i nitrati, che sono considerati indicatori di inquinamento da sostanze organiche, di origine recente o remota a seconda del grado di ossidazione dell’azoto. Mentre le acque sotterranee non contengono di norma sostanze in sospensione, esse sono invece sempre presenti nelle acque superficiali, ma la loro quantità varia notevolmente nel tempo a seconda dello stato di magra o di piena dei corsi d'acqua. Le sostanze in sospensione vengono distinte in sostanze sedimentabili, che possono essere eliminate per semplice decantazione, e sostanze non sedimentabili, come le soluzioni colloidali, che richiedono l'adozione di specifici processi chimico-fisici. Le sostanze organiche presenti nelle acque naturali sono costituite da microrganismi viventi (flora batterica, microfauna e microflora) e da residui organici, consistenti in parti di tessuto animale e vegetale e in prodotti del metabolismo di essere viventi. Il contenuto organico viene determinato indirettamente mediante misurazione dell'ossigeno necessario ad una completa ossidazione della sostanza organica, introducendo nell'acqua sostanze come il permanganato di potassio che cede facilmente l'ossigeno. Il contenuto di organismi viventi viene determinato mediante analisi microscopica e, per quanto riguarda la flora batterica, mediante coltura e computo delle colonie formatesi. L’attuale normativa italiana (D.L. n. 258 del 18.08.2000) non prevede nessun vincolo all'impiego delle acque sotterranee mentre classifica le acque superficiali destinate alla produzione di acqua potabile nelle tre categorie denominate A1, A2, ed A3, in relazione alla presenza di una serie di sostanze indesiderabili o dannose. Per il loro utilizzo, le acque che ricadono nella categoria A1 devono essere sottoposte a trattamenti fisici e disinfezione, quelle della categoria A2 a trattamenti fisico-chimici normali e disinfezione mentre quelle della categoria A3 a trattamenti fisico-chimici spinti, affinazione e disinfezione. Le acque che non rientrano nei limiti della categoria A3 possono essere utilizzate solo in via eccezionale per l'uso idropotabile. Nella tabella 2.1 sono riportati per le tre categorie i valori guida (G) ed i limiti di accettabilità (I) delle varie sostanze. Tabella 2.1 – Caratteristiche di qualità per le acque superficiali destinate alla produzione di acqua potabile. Numero parametro 1 2 3 4 5 6 7* 8 9 10* 11* 12 13 14 15 16

Unità pH

A1 G 6,5-8,5

A1 I .

A2 G 5,5-9

A2 I -

A3 G 5,5-9

A3 I -

mg/L scala pt

10

20(o)

50

100(o)

50

200(o)

25 22 1000

25(o) -

22 1000

25(o) -

22 1000

25(o) -

3

-

10

-

20

-

Parametro

Unità di misura

pH Colore (dopo filtrazione semplice) Totale materie in sospensione Temperatura Conduttività

mg/L MES °C µS/cm a 20° Fattore di diluizione a 25° Odore C Nitrati mg/L NO3 Fluoruri (1) mg/L F Cloro organico totale estraibile mg/L Cl Ferro disciolto mg/L Fe Manganese mg/L Mn Rame mg/L Cu Zinco mg/L Zn Boro mg/L B Berillio mg/L Be Cobalto mg/L Co

7

25 0,7/1 0,1 0,05 0,02 0,5 1 -

50(o) 1,5 0,7/1,7 0,3 1 0,1 0,05(o) 0,05 3 1 1 -

50(o) 50(o) 0,7/1,7 2 1 1 1 5 1 5 1 -

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17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30* 31

32

33 34 35* 36* 37*

38 39 40 41 42

43 44 45 46

Nichelio Vanadio Arsenico Cadmio Cromo totale Piombo Selenio Mercurio Bario Cianuro Solfati Cloruri Tensioattivi (che reagiscono al blu di metilene) Fosfati (2) Fenoli (indice fenoli) paranitroanilina, 4 amminoantipirina Idrocarburi disciolti o emulsionanti (dopo estrazione mediante etere di petrolio) Idrocarburi policiclici aromatici Antiparassitari-totale (parathion, HCH, dieldrine) Domanda chimica Ossigeno (COD) Tasso di saturazione dell'ossigeno disciolto A 20° C senza nitrificazione domanda biochimica di ossigeno (BOD5) Azoto Kjeldaht (tranne NO2 ed NO3) Ammoniaca Sostanze estraibili al cloroformio Carbonio organico totale Carbonio organico residuo (dopo flocculazione e filtrazione su membrana da 5µ) TOC Coliformi totali Coliformi fecali Streptococchi fecali Salmonella

mg/L Ni mg/L V mg/L As mg/L Cd mg/L Cr mg/L Pb mg/L Se mg/L Hg mg/L Ba mg/L CN mg/L SO4 mg/L Cl

0,01 0,001 0,0005 150 200

0,05 0,005 0,05 0,05 0,01 0,001 0,1 0,05 250 -

0,05 0,05 0,1 0,001 0,005 0,001 0,005 0,05 0,05 0,05 0,05 0,01 0,01 0,0005 0,001 0,0005 0,001 1 1 0,05 0,05 150 250(o) 150 250(o) 200 200 -

Mg/L (solfato di laurile)

0,2

-

0,2

-

0,5

-

mg/L P2O5

0,4

-

0,7

-

0,7

-

Mg/L C6H5OH

-

0,001

0,001

0,005

0,01

0,1

mg/L

-

0,05

-

0,2

0,5

1

mg/L

-

0,0002

-

0,0002

-

0,001

mg/L

-

0,001

-

0,0025

-

0,005

mg/L O2

.

-

-

-

30

-

% O2

> 70

-

> 50

-

> 30

-

mg/L O2