Ciclo idrologico naturale

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1 Corso di Gestione delle Risorse Idriche L acqua è il principio di tutte le cose Talete di Mileto Risorse Idriche Gestione integrata e sostenibile Antonino Cancelliere Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Università di Catania acance@dica.unict.it Ciclo idrologico naturale Acqua in tre fasi: Solida Liquida Gassosa Tipi di moto: Discendente Ascendente Sub-orizzontale Processi di scambio dovuti a: Energia solare: evaporazione, evapotraspirazione Energia gravitazionale: precipitazioni, moti superficiali, moti sotterranei Forze capillari: moti nello strato non saturo Processi biologici: traspirazione delle piante, scambi tra ambiente ed esseri viventi 1

2 Effetti antropici sul ciclo idrologico 2

3 Principi di gestione delle risorse idriche Gestione: pianificazione, programmazione, finanziamento, progettazione, realizzazione, esercizio e manutenzione, controllo La gestione delle risorse idriche è finalizzata ai seguenti scopi Approvvigionamento idrico per gli usi civili Approvvigionamento idrico per gli usi agricoli Approvvigionamento idrico per gli usi industriali Produzione di energia elettrica Navigazione Controllo delle piene Protezione idraulica del territorio Ma anche Tutela della vita acquatica (ecosistemi) Salvaguardia degli aspetti ambientali (risorse naturali, paesaggio, etc.) (breve) storia della Gestione delle Risorse Idriche La gestione delle risorse idriche è relativamente recente rispetto alla storia dell umanità Soltanto negli ultimi anni l uomo è passato da una sussistenza basata sulla caccia e pesca, ad una utilizzazione del territorio ai fini agricoli e pastorizi Tale rivoluzione cominciò (probabilmente) in Iraq e in Siria La nuova economia agricola favorì lo sviluppo di villaggi e in seguito di città I nuovi insediamenti agricoli richiesero lo sviluppo di tecnologie per il controllo ed il trasporto dell acqua per l irrigazione 3

4 (breve) storia della Gestione delle Risorse Idriche I primi esempi di controllo del flusso dell acqua si trovano in Egitto ed in Mesopotamia (che in Greco significa terra tra due fiumi ) In Egitto la costruzione dei canali per l irrigazione era uno dei compiti principali dei faraoni. Tali canali consentivano l allagamento di vaste zone agricole durante le piene del Nilo In Mesopotamia primi esempi di conflitti dovuti all utilizzo delle risorse idriche Nel periodo ellenistico, primo connubio tra scienza e ingegneria delle acque Nel periodo romano, realizzazioni di acquedotti, bonifiche (breve) storia della Gestione delle Risorse Idriche Nel medioevo, si ha un declino nella utilizzazione delle risorse idriche Dal rinascimento in poi, si hanno grandi sviluppi nei campi della fisica, chimica, idraulica, idrologia Sviluppi in campo idrologico Leonardo da Vinci dà due spiegazioni per la formazione delle sorgenti: Riconosce il meccanismo evaporazione dal mare-nuvole-pioggie Ma ritiene che le sorgenti dalle montagne vengono dalla risalita delle acque di mare entro le montagne (come alambicchi) Palissy ( ) afferma che fiumi e sorgenti hanno origine dalle precipitazioni e non dal mare Perrault ( ) dimostra che la pioggia è sufficiente per il deflusso superficiale e le portate delle sorgenti Analisi dei componenti del ciclo idrologico (David, Smith, Darcy, Rippl, Hazen, Horton, Sherman) e sviluppo di tecniche di misura (telemetro, Venturi, etc.) Gestione integrata delle acque e Idrologia globale (Harvard Water Resources Program, 1956) 4

5 Classificazione delle risorse idriche Le risorse idriche possono classificarsi nel modo seguente: Convenzionali - acque superficiali prelevate con derivazioni regolate con serbatoi acque sotterranee emunte da sorgenti da pozzi scavati o trivellati da gallerie non convenzionali (marginali) acque reflue depurate acque salate o salmastre dissalate precipitazioni artificiali (iceberg) Classificazione delle risorse idriche (2/2) Risorsa idrica naturale: volume annuo che attraversa una determinata sezione di un corso d acqua o di un acquifero (valore medio o di prefissata probabilità) Ris. idrica potenziale: aliquota massima della risorsa naturale che può essere resa disponibile tenendo conto dei vincoli fisici e tecnologici Ris. idrica utilizzabile: aliquota della risorsa potenziale effettivamente utilizzabile tenendo conto dei vincoli economici ambientali e sociali (funzione della distribuzione delle domande, della qualità richiesta, delle caratteristiche degli impianti e delle modalità di esercizio). 5

6 Classificazione delle risorse idriche secondo il Decreto 28 luglio 2004 del Ministero dell Ambiente Risorsa idrica naturale: volume di acqua che, nel periodo di tempo considerato (annuale, o piu' breve), attraversa una determinata sezione di un corso d'acqua superficiale, o di una falda sotterranea, in assenza di alterazioni prodotte da usi antropici; Risorsa idrica non convenzionale: quella che deriva da tecniche e procedimenti quali la dissalazione delle acque marine e salmastre, l'aumento artificiale delle precipitazioni attraverso interventi climatici, la riduzione dell'evaporazione da specchi liquidi naturali e artificiali; Risorsa idrica potenziale: la massima risorsa idrica che puo' essere messa a disposizione in una determinata sezione di un corso d'acqua superficiale o di una falda sotterranea con mezzi artificiali, in base alle migliori tecnologie disponibili, tenendo conto della presenza dei bacini di regolazione e delle relative regole di gestione, nonche' considerando le incertezze connesse alla stima della risorsa idrica naturale; Risorsa idrica utilizzabile (superficiale e sotterranea): la risorsa, inferiore o uguale a quella potenziale, concretamente destinabile agli usi, tenendo conto dei vincoli di carattere socio-economico, di tutela delle acque, di compatibilita' ambientale e di qualita'; Sistemi idrici Sistema idrico = un insieme di impianti per l utilizzazione delle risorse idriche lo smaltimento delle acque reflue la tutela dall inquinamento la difesa dalle acque Elementi dei sistemi idrici Corpi idrici naturali Opere di prelievo Opere di trasporto trattamento e distribuzione Utenze (domande) 6

7 SCHEMA DI SISTEMA IDRICO URBANO CORSO D ACQUA APPROVVIGIONAMENTO SORGENTE SERBATOIO DI REGOLAZIONE DERIVAZIONE ACQUE SUPERF. SERBATOIO URBANO IMPIANTO DI SOLLEVAMENTO ACQUIFER GALLERIA DI CAPTAZIONE POZZO VASCA PIEZOMETRICA IMPIANTO DI POTABILIZZAZIONE IMPIANTO DI DISSALAZIONE RETE DI DISTRIBUZIONE ACQUE PLUVIALI UTENZE COMUNE CORPO IDRICO RICETTORE SCARICO IMPIANTO DI DEPURAZIONE Schema tipo di sistema idrico urbano RETE DI FOGNATURA COLLETTORE SMALTIMENTO Sistemi acquedottistici in Sicilia 7

8 Sistema di approvvigionamento della Piana di Catania 8

9 Schema del sistema di approvvigionamento della Piana di Catania Legenda Serbatoio Traversa Acquedotto Ancipa (Uso Civile) T. S. Elia T. Cutò Impianto idroelettrico Condotta Utenza Ancipa Troina Impianto di potabilizzazione Fiume Pozzillo Regalbuto S. Domenica Grotta Fumata Contrasto T. Margi Contrasto T. Barbaianni T. Trigona T. delle Cave Paternò Barca CB 9 Lentini (Uso Irriguo) ASI SR (Uso Industriale) CB 10 (Uso Irriguo) ASI CT (Uso Industriale) PROBLEMI DELLE ACQUE I. Utilizzazione delle risorse idriche per usi civili, agricoli, industriali: II. Impianti per rendere compatibili risorse e fabbisogni: nella quantità (opere di captazione di risorse superficiali e sotterranee) nello spazio (canali e condotte di adduzione) nel tempo (serbatoi di regolazione) nella qualità (modifica di caratteristiche delle acque per l uso) Enti di governo ed enti di gestione dei servizi idrici Tutela delle risorse idriche dall inquinamento III. Difesa dalle acque (sistemazione idraulica e conservazione del suolo) 9

10 I problemi di utilizzazione delle risorse idriche Assicurare il soddisfacimento (per quantità e qualità) delle domande idriche nel rispetto dei vincoli fisici, economici, sociali Problemi legati alla variabilità spazio-temporale delle risorse Trasferimento nel tempo dei volumi idrici attraverso: Realizzazione di serbatoi Uso congiunto di risorse sotterranee Trasferimento nello spazio Realizzazione di acquedotti, canali di adduzione Utilizzo della rete idrografica naturale Problemi legati alla qualità della risorsa Uso differenziato di risorse di diversa qualità Adeguamento attraverso trattamento, potabilizzazione, etc. Problemi legati alla carenza di risorse Ricorso a fonti alternative Miglioramento delle tecniche irrigue Riutilizzo dei reflui Variabilità temporale delle risorse Deflussi mensili del F. Salso al serbatoio Pozzillo 10

11 Variabilità temporale delle risorse Deflussi mensili del Salso al serbatoio Pozzillo Variabilità spaziale delle risorse Carta delle linee di egual contributo medio annuo 11

12 Variabilità dei consumi Fonti da acque fluenti Dighe (serbatoi) Traverse di derivazione da acque sotterranee Pozzi Sorgenti Gallerie drenanti da acque non convenzionali Depuratori (riutilizzo dei reflui) Dissalatori 12

13 Dighe Dighe 13

14 Serbatoi Traverse di derivazione Vengono realizzate per innalzare il tirante idrico a monte attraverso un rigurgito e consentire il prelievo tramite opportune opere di presa 14

15 Acque sotterranee Sorgenti Presa da sorgente Galleria drenante 15

16 Pozzi 1 Strato impermeabile 2 Pozzo artesiano 3 Pozzo saliente 4 Livello piezometrico Usi dell acqua Civile Potabile Igienico Lavaggio strade, edifici, etc. Sanitario Irriguo Industriale (con o senza restituzione) Idroelettrico (quasi sempre con restituzione) 16

17 Evoluzione nella utilizzazione delle risorse idriche (1/3) Si possono distinguere tre fasi principali. Una prima fase è caratterizzata da: abbondanza di acqua e possibilità di soddisfare le domande con opere di trasporto da relativa breve distanza (generalmente si realizzano impianti da una sola fonte di approvvigionamento per un solo tipo di utenza); non vi sono conflitti tra i vari usi e la capacità di inquinamento è limitata; gli enti di gestione hanno responsabilità settoriale (civile, irriguo). Evoluzione nella utilizzazione delle risorse idriche (2/3) Una seconda fase è caratterizzata da: crescita delle domande che non possono essere soddisfatte con le risorse facilmente disponibili (sorgenti, acque superficiali fluenti, ecc.): sono necessarie opere di trasferimento da lunga distanza e serbatoi di regolazione; si realizzano impianti a scopi plurimi (ad es. serbatoi per uso irriguo e idroelettrico, e per laminazione delle piene e per uso ricreativo); si introducono alcune misure per ridurre i consumi (ad es. irrigazione a goccia, riciclo nelle industrie, aumento delle tariffe negli usi civili); la pianificazione diventa necessaria per risolvere i conflitti tra i vari usi. Si avvia l analisi di un uso congiunto di vari tipi di risorse che consente di destinare le acque di qualità agli usi che ne hanno bisogno; si avvia una legislazione per la tutela delle acque dall inquinamento sviluppando gli impianti di depurazione. Si avverte l esigenza di un coordinamento tra i vari enti di gestione. 17

18 Evoluzione nella utilizzazione delle risorse idriche (3/3) Una terza fase è caratterizzata da: formazione di sistemi idrici complessi per: numero di elementi e di connessioni fisiche tra di essi, numero di scopi (in particolare usi conflittuali), numero di obiettivi da soddisfare, numero di enti tra i quali è ripartita la responsabilità gestionale diversità di mezzi da adottare (impianti, prescrizioni normative, politiche tariffarie, ecc.); riconoscimento anche giuridico della necessità di tutela degli ecosistemi acquatici nei corpi idrici superficiali (DMV) e di tutela delle falde sotterranee; valutazione non solo economica ma multicriteriale delle alternative di pianificazione (ad es. benefici degli usi produttivi, esigenze della tutela dell ambiente, riduzione dei rischi); crescente attenzione ai problemi di gestione dei sistemi idrici (struttura istituzionale dei servizi idrici, importanza delle tariffe, aspetti sociologici, ecc.) Cause di crisi idriche e misure da adottare (dal DPCM 47/1996, allegato 6: Individuazione delle aree a rischio di crisi idrica) CARENZE CAUSE MISURE DI EMERGENZA MISURE DI PREVENZIONE Nelle fonti di alimentazione Negli impianti di attingimento Adduzione e distribuzione Eventi di siccità Inquinamento distribuito e/o puntuale Errata gestione dei prelievi Inadeguata progettazione Decadimento delle caratteristiche degli impianti Errata gestione degli impianti Nell intero sistema idrico Sismi, inondazioni, frane Approvvigionamento con risorse integrative Approvvigionamento di emergenza, disinquinamento, ecc. Soccorso, approvvigionamento di emergenza Riduzione della vulnerabilità del sistema alla siccità Riduzione della vulnerabilità del sistema all inquinamento Definizione di programmi di gestione Revisione dei criteri progettuali Manutenzione programmata Definizioni di corretti standard gestionali Riduzione della vulnerabilità del sistema 18

19 I problemi della difesa dalle acque (1/2) Effetti nocivi delle acque sono: - le inondazioni dovute alle piene fluviali (danni alle aree urbane e ai terreni agricoli, interruzione delle vie di comunicazione, ecc.); - l erosione del suolo e l instabilità delle pendici (asportazione del terreno agrario, frane, ecc.); - l eccesso d'imbibizione dei terreni con difetti di scolo I problemi della difesa dalle acque (2/2) Gli interventi di difesa dalle piene e di conservazione del suolo possono essere suddivisi in tre principali categorie: I. Interventi per la difesa dalle inondazioni nelle zone vallive (arginature, correzione piano-altimetrica, diversivi e scolmatori, serbatoi di laminazione delle piene); II. Interventi nei tronchi montani dei corsi d acqua per la riduzione dell erosione ed il consolidamento dei versanti in connessione con interventi forestali ed agrari (opere trasversali-briglie, opere longitudinalidifese di sponda); III. Interventi per l eliminazione dei danni conseguenti agli eccessi di acque in terreni con difetti di scolo (reti di canali di bonifica e drenaggio). 19

20 Linee di tendenza per la difesa dalle acque Le attuali linee di tendenza per la difesa dalle acque possono così riassumersi: I. per la difesa dalle inondazioni: - interventi non strutturali (sistemi di preavviso delle piene, vincoli sulla destinazione d' uso, assicurazione); - rinaturalizzazione dei corsi d'acqua. II. per le sistemazioni idrauliche nei corsi d acqua montani - opere di bioingegneria III. per la bonifica idraulica - tutela delle zone umide. E ormai largamente condivisa la convinzione che occorre definire gli interventi da effettuare in un corso d acqua considerando l intero bacino idrografico. I problemi di tutela delle acque dall inquinamento (1/2) Gli effetti antropici sul ciclo idrologico naturale comprendono le conseguenze dell attività dell uomo: sull atmosfera (pioggie acide); sul suolo e sulla vegetazione (attività agricole, cambiamenti copertura vegetale, ecc.); sui corpi idrici superficiali e sotterranei (scarichi di acque reflue, discariche di rifiuti solidi). 20

21 I problemi di tutela delle acque dall inquinamento (2/2) Le principali linee di tendenza per il disinquinamento possono cosi riassumersi: dalla realizzazione degli impianti di raccolta, depurazione e smaltimento delle acque reflue ad un efficiente esercizio del servizio; priorità al rischio di inquinamenti dei corpi idrici a più lento ricambio (acquiferi, laghi); consapevolezza dell importanza di interventi più generali (ad es. riduzione dell uso di fertilizzanti e pesticidi nelle attività agricole, idonee soluzioni allo smaltimento dei rifiuti solidi urbani e dei rifiuti tossici e nocivi). Gestione integrata delle risorse idriche (1/4) La gestione delle risorse idriche mette in relazione il sistema delle risorse idriche naturali, il sistema delle attività umane, il sistema delle strutture istituzionali. Sistema risorse idriche Sistema attività umane Sistema Istituzionale e organizzativo 21

22 Gestione integrata delle risorse idriche (2/4) La gestione integrata ha l obiettivo di affrontare in modo globale i problemi di utilizzazione delle risorse idriche, di difesa dalle acque e di tutela dall inquinamento nell'ambito di un unità territoriale opportunamente scelta. Essa intende considerare nei processi decisionali che interessano le risorse idriche sia gli aspetti idrologici geochimici e biologici sia le implicazioni giuridiche, economiche e organizzative Gestione integrata delle risorse idriche (3/4) La gestione integrata delle risorse idriche è preferibile ad un approccio settoriale perché: le connessioni fisiche tra acque superficiali e sotterranee impongono in molti casi un uso congiunto delle due risorse; molti impianti idraulici sono a scopi plurimi (ad es. con domande idriche concatenate o competitive, esigenze conflittuali sullo stato di riempimento di un serbatoio, ecc.); non è possibile tener separati i problemi di quantità e qualità delle risorse idriche (ad es. effetti degli scarichi sulle caratteristiche dei prelievi); 22

23 Gestione integrata delle risorse idriche (4/4) il deterioramento qualitativo di alcuni corpi idrici non li rende più utilizzabili per certi usi e impone lo scambio di fonti di approvvigionamento; le risorse idriche risultano in molti casi insufficienti rispetto alla crescita delle domande di tipo tradizionale (civile, irriguo, industriale) e alla esigenza di mantenere l equilibrio ecologico dei corpi idrici; il soddisfacimento degli obiettivi economici di tutela ambientale e di riduzione dei rischi naturali (degli eventi estremi quali piene e siccità) e dei rischi per la salute umana può essere meglio ottenuto affrontando unitariamente le differenti problematiche. Iter di sviluppo della gestione integrata (1/2) uso plurimo degli impianti idraulici; uso congiunto di acque superficiali sotterranee e reflue depurate; gestione unitaria del sistema di approvvigionamento idrico civile e del sistema di smaltimento e depurazione delle acque reflue; gestione unitaria dei problemi di quantità e qualità delle risorse idriche. 23

24 Iter di sviluppo della gestione integrata (2/2) In particolare assumono grande rilievo: la pianificazione delle acque, connessa alla pianificazione territoriale e alla programmazione economica, orientata ad allocare le risorse idriche sulla base delle caratteristiche quantitative e qualitative e orientata a definire gli interventi di difesa dalle acque e di tutela dall'inquinamento. In Italia con la L. 183/1989 lo strumento principale di tale pianificazione è il piano di bacino, strumento conoscitivo, normativo e tecnico-operativo). la riorganizzazione delle strutture organizzative che curano l esercizio degli impianti idrici (In Italia la riorganizzazione è stata prevista dalla L. 36/1994 limitatamente ai servizi idrici di approvvigionamento idrico urbano e depurazione e smaltimento delle acque reflue). Una gestione integrata richiede di: Affrontare in modo globale i problemi di utilizzazione e tutela delle risorse e di difesa dalle acque nell ambito di una unità territoriale. Prendere in conto gli aspetti fisici, ingegneristici, economici e giuridici-istituzionali. Impiegare numerosi strumenti di supporto alle decisioni: approccio sistemico (non solo modelli) sistemi informativi:database, GIS 24

25 Sviluppo sostenibile per le risorse idriche (1/2) Sviluppo sostenibile secondo la commissione Brundtland (1987) è uno sviluppo che soddisfi le esigenze del presente senza compromettere le capacità delle future generazioni di soddisfare quelle dell avvenire. In particolare uno sviluppo sostenibile delle risorse idriche comporta l adozione dei seguenti criteri: evitare uno sfruttamento delle risorse non rinnovabili (es. sovrasfruttamento degli acquiferi quando il volume emunto supera l alimentazione media annua); orientare la politica delle acque alla riduzione dei consumi, al risparmio idrico, al riciclo, al riuso (anche attraverso strumenti tariffari, incentivi o disincentivi); Sviluppo sostenibile per le risorse idriche (2/2) rispettare l equilibrio ecologico del sistema acquasuolo-biocenosi (attenzione alla quantità e qualità delle risorse lasciate nei corpi idrici) ridurre la generazione di inquinamenti dalle città, industrie e attività agricole mediante politiche generali innovative; tendere ad uno sviluppo non solo in termini fisici ed ecologici, ma anche economici sociali in cui si assicurino gli obiettivi di produttività economica, di qualità ambientale, di riduzione dei rischi igienici e di equità sociale. 25