Corso di Laurea in Ingegneria per l Ambiente ed il Territorio Corso di Costruzioni Idrauliche A.A. 2004-05 www.dica.unict.it/users/costruzioni Introduzione al corso Ing. Antonino Cancelliere Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Università di Catania acance@dica.unict.it 095 7382718 Obiettivi del corso L acqua è il principio di tutte le cose Talete di Mileto Fornire le conoscenze di base per le attività di pianificazione, progettazione e gestione delle principali infrastrutture idrauliche, con particolare riferimento alle problematiche di approvvigionamento idropotabile e di smaltimento delle acque meteoriche e reflue. 1
Programma del corso Generalità Introduzione al corso. Il ciclo delle acque. I problemi delle acque. Evoluzione della gestione delle acque e delle opere idrauliche. Il quadro legislativo nazionale sulle acque. Il servizio idrico integrato. Idrologia superficiale Il ciclo idrologico naturale e antropizzato. Precipitazioni e loro misura. Valutazione degli afflussi ragguagliati. Elaborazione delle piogge intense. Cenni di probabilità e tempo di ritorno. Curve di probabilità pluviometrica. Deflussi superficiali. Caratteristiche dei bacini idrografici. La formazione delle piene. Valutazione delle portate al colmo. Metodo della corrivazione. Metodo dell'invaso. Approvvigionamento idrico Schemi idrici fondamentali. Fonti di approvvigionamento. Opere di presa. Fabbisogni e loro stima. Variabilità delle richieste. Adduttrici a gravità. Materiali per condotte. Dimensionamento dei serbatoi. Tracciato delle reti. Manufatti e opere d'arte. Problemi di verifica e di progetto. Calcolo di reti ad albero e a maglie chiuse. Impianti di sollevamento tramite pompe. Problemi di esercizio e manutenzione del servizio di approvvigionamento idrico. Smaltimento delle acque pluviali e reflue Tipi di reti e analisi preliminari. Tracciato della rete. Canali e condotte: tipologie e materiali. Calcolo delle portate di tempo asciutto. Calcolo delle portate pluviali. Verifica idraulica dei canali e delle condotte. Manufatti e opere d'arte. Problemi di gestione del servizio idrico integrato. Ciclo idrologico naturale Acqua in tre fasi: Solido Liquido Vapore 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 2
Sistemi idrici Sistema = un insieme di elementi interconnessi orientati verso uno o più obiettivi, caratterizzati da un meccanismo di feedback Un sistema è più del semplice assemblaggio degli elementi costituenti a causa del comune obiettivo e dei fenomeni di feedback Sistema idrico = un insieme di impianti per l utilizzazione delle risorse idriche la tutela dall inquinamento la difesa dalle acque Elementi dei sistemi idrici fonti opere di trasporto trattamento e distribuzione utenze PROBLEMI DELLE ACQUE I. Utilizzazione delle risorse idriche per usi civili, agricoli, industriali: 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 II. Tutela delle risorse idriche dall inquinamento III. Difesa dalle acque (sistemazione idraulica e conservazione del suolo) 3
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 4
Variabilità temporale delle risorse Deflussi mensili del Salso al serbatoio Pozzillo Variabilità spaziale delle risorse Carta delle linee di egual contributo medio annuo 5
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 6
Usi dell acqua Civile Potabile Igienico Lavaggio strade, edifici, etc. Sanitario Irriguo Industriale (con o senza restituzione) Idroelettrico (quasi sempre con restituzione) Sistemi acquedottistici in Sicilia 7
Sistema di approvvigionamento della Piana di Catania Schema del sistema di approvvigionamento della Piana di Catania Legenda Serbatoio Traversa Acquedotto Ancipa (Uso Civile) T. S. Elia T. Cutò T. Martello T. Saracena 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) 8
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 9
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). 10
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). 11
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). (breve) storia della Gestione delle Risorse Idriche La gestione delle acque è relativamente recente rispetto alla storia dell umanità Soltanto negli ultimi 10.000 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 12
(breve) storia della Gestione delle Risorse Idriche I nuovi insediamenti agricoli richiesero lo sviluppo di tecnologie per il controllo ed il trasporto dell acqua per l irrigazione 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 (1510-1589) afferma che fiumi e sorgenti hanno origine dalle precipitazioni e non dal mare Perrault (1608-1680) 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) 13