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Corso di Costruzioni Idrauliche A.A. 2004-05

www.dica.unict.it/users/costruzioni

Ing. Antonino Cancelliere

Dipartimento di Ingegneria Civile e AmbientaleUniversità di Catania

acance@dica.unict.it095 7382718

Corso di Laurea in Ingegneria per l’Ambiente ed il Territorio

Introduzione al corso

Obiettivi del corso

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.

L’acqua è il principio di tutte le cose

Talete di Mileto

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Programma del corsoGeneralitàIntroduzione 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 superficialeIl 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 idricoSchemi 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 reflueTipi 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 naturaleAcqua in tre fasi:

•Solido

•Liquido

•Vapore

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

Tipi di moto:

•Discendente

•Ascendente

•Sub-orizzontale

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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 perl’utilizzazione delle risorse idrichela tutela dall’inquinamentola difesa dalle acque

Elementi dei sistemi idricifontiopere di trasporto trattamento e distribuzioneutenze

Sistemi idrici

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)

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I problemi di utilizzazione delle risorse idriche

Assicurare il soddisfacimento (per quantità e qualità) delle domandeidriche 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

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Variabilità temporale delle risorse

Deflussi mensili del Salso al serbatoio Pozzillo

Variabilità spaziale delle risorseCarta delle linee di egual

contributo medio annuo

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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

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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

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Sistema di approvvigionamento della Piana di Catania

Schema del sistema di approvvigionamento della Piana di Catania

CB 9

(Uso Irriguo)

Barca

Paternò

Contrasto

Grotta Fumata

Contrasto

S. Domenica

Regalbuto

Troina

Pozzillo

Ancipa

Acquedotto Ancipa

(Uso Civile)

Legenda

Serbatoio

Traversa

Impianto idroelettrico

Condotta

Utenza

T. Martello

T. Saracena

T. S. Elia

T. Cutò

Impianto di potabilizzazione

Fiume

Lentini

T. Margi

T. Barbaianni

T. Trigona

T. delle Cave

ASI SR

(Uso Industriale)

CB 10

(Uso Irriguo)ASI CT

(Uso Industriale)

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SORGENTE

POZZO

GALLERIA DI CAPTAZIONE

ACQ

UIF

ER

SERBATOIO DI REGOLAZIONE

DERIVAZIONE ACQUE SUPERF.

IMPIANTO DI SOLLEVAMENTO

SERBATOIO URBANO

RETE DI DISTRIBUZIONE

IMPIANTO DI POTABILIZZAZIONE

IMPIANTO DI DISSALAZIONE

VASCA PIEZOMETRICA

UTENZE COMUNEACQUE

PLUVIALI

APPROVVIGIONAMENTO

SCARICO

CORPO

ID

RIC

O R

ICET

TORE

RETE DI FOGNATURA

COLLETTOREIMPIANTO DI DEPURAZIONE

SMALTIMENTOSchema tipo di sistema idrico urbano

CORSO D’ACQUA

SORGENTE

POZZO

GALLERIA DI CAPTAZIONE

ACQ

UIF

ER

SORGENTE

POZZO

GALLERIA DI CAPTAZIONE

ACQ

UIF

ER

SERBATOIO DI REGOLAZIONE

DERIVAZIONE ACQUE SUPERF.

IMPIANTO DI SOLLEVAMENTO

SERBATOIO URBANO

RETE DI DISTRIBUZIONE

IMPIANTO DI POTABILIZZAZIONE

IMPIANTO DI DISSALAZIONE

VASCA PIEZOMETRICA

UTENZE COMUNEACQUE

PLUVIALI

APPROVVIGIONAMENTO

SCARICO

CORPO

ID

RIC

O R

ICET

TORE

RETE DI FOGNATURA

COLLETTOREIMPIANTO DI DEPURAZIONE

SMALTIMENTOSchema tipo di sistema idrico urbano

SCARICO

CORPO

ID

RIC

O R

ICET

TORE

RETE DI FOGNATURA

COLLETTOREIMPIANTO DI DEPURAZIONE

SMALTIMENTOSchema tipo di sistema idrico urbano

CORSO D’ACQUA

SCHEMA DI SISTEMA IDRICO URBANO

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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

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 longitudinali-difese 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).

I problemi della difesa dalle acque (2/2)

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Linee di tendenza per la difesa dalle acqueLe attuali linee di tendenza per la difesa dalle acque possono cosìriassumersi:

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).

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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 piùgenerali (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 èpassato 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

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(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)