1) INTRODUZIONE
Elemento determinante per la conoscenza della rete acquedottistica
è il quantitativo d'acqua che, nei molteplici aspetti che
vanno dai volumi totali immessi, a quelli dispersi nel terreno
a causa delle perdite occulte, alle portate delle singole condotte,
a quelle erogate da ogni nodo, ai volumi invasati o svasati dai
serbatoi, a quelli richiesti dall'utenza nei vari periodi della
giornata e dell'anno, caratterizza, nella realtà, il funzionamento
della rete d'acquedotto in genere e di quella a sollevamento meccanico
in particolare.
Scopo del presente lavoro è l'esame di alcuni di tali aspetti.
2) FABBISOGNO IDROPOTABILE E CONSUMO DELL'UTENZA
La determinazione del fabbisogno idropotabile è stata oggetto
di estese e sperimentate ricerche concernenti vari fattori come
tipo di utenza, importanza e qualità dell'abitato da servire,
il suo grado di benessere, la politica tariffaria adottata dall'ente
gestore ecc. che incidono sui consumi e sulla loro distribuzione
temporale durante la giornata e durante l'anno tipo.
Dalla numerosa letteratura tecnica esistente in proposito, cui
si rimanda per approfondire molto più autorevolmente il
problema, si possono ricavare tutti i dati necessari per determinare
caso per caso i consumi prevedibili e quindi le portate medie
giornaliere e quelle orarie da prendere come base nello studio
degli impianti acquedottistici.
Si vuole qui far rilevare un particolare aspetto del problema.
Dall'esame dei dati di funzionamento di acquedotti in normale
esercizio e con fabbisogno dell'utenza soddisfatto, si rileva
che tra pressione di esercizio e consumo intercorre una mutua
relazione riguardante, oltre alle perdite di rete che in tal senso
denotano una marcata sensibilità, anche altri fattori poco
riconoscibili ma tra i quali possono ragionevolmente annoverarsi:
· le portate utilizzate per usi domestici come docce, lavabi,
ecc.
· le portate prelevate da elettrodomestici o da apparecchi
vari con bocca di prelievo a sezione fissa;
· le portate utilizzate da privati per impianti di raffreddamento:
· le portate destinate all'irrigazione di orti o giardini
e quelle utilizzate per lavaggio macchine.
· le portate prelevate da idranti per lavaggio strade,
fontanelle pubbliche, vasche di cacciata per lavaggio fognature
stradali o altri usi simili,
· le portate utilizzate per lavaggio condotte e quelle
di sfioro dei serbatoi:
La portata istantanea richiesta per gli usi indicati subisce,
per effetto della variazione della pressione di pompaggio delle
centrali dell'acquedotto e quindi della pressione di tutta la
rete, delle modifiche rilevanti che si riflettono sul consumo
finale dell'utenza.
Nella fig. n. 1 è riportato, a titolo di esempio, il grafico
della portata realmente immessa in una rete d'acquedotto priva
di serbatoi di accumulo distribuiti in rete. E' indicata (con
un piccolo sfasamento temporale dovuto a necessità meccaniche
dei pennini) anche la pressione di pompaggio. Il funzionamento
si svolge secondo due diverse modalità: per le piccole
portate, a pressione di partenza fissa (m. 24 su asse tubo) data
dal serbatoio pensile posto in testa alla rete, e, per richieste
dell'utenza superiori ad una determinata soglia, con pompaggio
diretto in rete ed a pressione variabile. Si possono trarre interessanti
deduzioni.
Innanzitutto si nota come durante la notte dalle ore 1 alle ore
5 circa, quando il funzionamento ha sempre luogo a bassa e fissa
pressione (24 m sulla condotta), la portata minima si stabilizza
su un valore costante che si ripete anche in tutte le notti di
tutto l'anno, sia che si tratti di periodi di grandi e sia di
piccolissimi consumi dell'utenza, per variare solo quando si verificano
in rete nuove rotture o prelievi straordinari. Ciò sta
ad indicare che la portata in questione è data per la totalità
dalle perdite.
Alle ore 7.30 circa il prelievo dell'utenza supera la soglia critica
(preventivamente fissata sui 92 l/s circa in uscita dalla centrale)
per cui ha inizio il pompaggio in diretta ad alta pressione. La
maggiore prevalenza di pompaggio (da m.24 a 36 m. circa) provoca
un immediato aumento di portata che passa da 92 l/s circa a 130
l/s circa. Da tale momento in poi la pressione, al variare delle
richieste dell'utenza, segue la curva caratteristica della pompa
in servizio a seconda dei gruppi di sollevamento messi in funzione
dall'automatismo. Risulta impossibile conoscere, anche in considerazione
del fatto che non è dato sapere se ciò comporta
una insufficiente alimentazione di una parte più o meno
grande del territorio servito, quale sarebbe stato il funzionamento
qualora il pompaggio fosse rimasto a bassa pressione per tutta
la giornata. Si è comunque tracciata a vista, al fine di
evidenziarne l'andamento di massima, la curva delle portate che
presumibilmente la rete avrebbe richiesto in tale ipotesi ed indicato
con tratteggio il maggior volume consumato dalle ore 7 alle 12
circa a causa dell'aumento di pressione. La maggiorazione, quantificabile
in mc 230 circa, contro un volume di mc 1517 d'acqua che si sarebbe
consumata a regime normale, fa ascendere a ben il 15% la percentuale
di aumento nel periodo considerato.
Alle
ore 12 circa, con utenza senz'altro alimentata correttamente,
viene superata in decremento la soglia critica e l'automatismo
impone di passare dal pompaggio ad alta a quello a bassa pressione.
Il conseguente calo di pressione (da m. 38 circa a m 24) provoca
una diminuzione di portata che dai 99 l/s passa a 76 l/s. Supponendo
che la stessa variazione di pressione si verifichi anche in rete
(cosa in buona parte vera se si considera la modesta variazione
di portata che si verifica nei due casi) ed applicando le regole
della foronomia (vedi anche cap. 3):
portata a bassa press.= port. ad alta x sqrt(delta press.)
si ottiene
portata = 99 . sqrt (24/38) = 78
La portata determinata teoricamente sulla
base della nuova pressione (78 l/s) si avvicina a quella reale
letta sul grafico di pompaggio (76 l/s) confermando, come precedentemente
affermato, che la variazione nella pressione di esercizio della
rete provoca una variazione di portata assorbita dalla rete che,
è totalmente indipendente dalle richieste dell'utenza.
Da notare come in regime normale, e cioè senza alcuna manovra
delle pompe, ad una diminuzione di portata così rilevante
che fosse invece dovuta, ad esempio, ad una grossa utenza che
ha chiuso la sua saracinesca di prelievo, corrisponderebbe, con
un effetto diametralmente opposto a quello in esame, un notevole
aumento di pressione dato dal diverso punto di utilizzazione della
curva caratteristica della pompa.
Qualora alle ore 12 non si fosse verificata la manovra descritta
e l'impianto avesse invece continuato a funzionare ad alta pressione
per il resto della giornata, notte compresa, ben diverso sarebbe
stato il volume d'acqua totale assorbito dalla rete nelle 24 ore.
Quanto precede deve chiarire un concetto importantissimo per la
corretta gestione degli impianti acquedottistici: poiché
il fabbisogno dell'utenza può essere modificato ad arte,
il gestore non deve sempre sottostare alle richieste ma deve imporre,
ovviamente entro determinati limiti, le condizioni di funzionamento
(pressione in questo caso) della rete che più soddisfano
l'economia, la disponibilità di risorse, la regolarità
di esercizio ecc. ovviando, in determinati casi, anche a deficienze
della rete. Cio' deve aver luogo senza pregiudicare il rifornimento
idropotabile e cioè contenendo in ogni caso la pressione
entro i limiti massimi e minimi consentiti per una corretta consegna
dell'acqua.
Immaginiamo di osservare il funzionamento di un acquedotto senza
serbatoi in rete e provvisto di centrali che immettono la loro
portata in condotta con possibilità di modificare sia la
portata che la pressione di esercizio. Se una zona, ad esempio,
è servita da condotte di diametro insufficiente, è
possibile, per ovviare alle carenze che ne conseguono, aumentare
la pressione di esercizio giornaliero portandola verso il valore
massimo ammissibile, mentre se un'altra zona ha delle fonti deficitarie,
è opportuno mantenere costantemente sui valori minimi la
pressione per economizzare nella portata immessa in rete. Se in
altre zone c'è sovrabbondanza di produzione si potrà
spingere l'utenza al consumo aumentando la pressione di rete.
In ogni caso durante la notte sarà opportuno riportarla
ai valori minimi in quanto, in caso contrario, i bassi consumi
notturni provocherebbero modeste perdite di carico e conseguenti
inutili elevate pressioni in condotta. La diminuzione notturna,
oltre a rappresentare una economia diretta della spesa di sollevamento
data dalla minore prevalenza delle pompe, riduce notevolmente
le perdite di rete con ulteriori minori oneri di produzione dell'acqua
come sarà più avanti dimostrato.
Gli effetti indotti in rete dalla pressione non sono determinabili
teoricamente in quanto dipendono da fattori variabili rete per
rete e del tutto incogniti come la presenza e l'ubicazione delle
perdite occulte, la scabrezza effettiva delle condotte distinta
condotta per condotta, la presenza di prelievi particolari come
quelli descritti particolarmente sensibili alla variazione della
pressione di consegna dell'acqua, le modificazioni provocate nella
durata dei vari prelievi ecc. ecc. Le cose si complicano ulteriormente
quando nella rete sono presenti i serbatoi. Allora alle considerazioni
esposte devono aggiungersi quelle relative alle modalità
ed ai tempi di invaso e di svaso cui conseguono ulteriori e predominanti
necessità di regolazione della pressione e relative variazioni
nel fabbisogno effettivo sia istantaneo che giornaliero dell'utenza.
La descritta interdipendenza tra portata assorbita e pressione
di esercizio estende i suoi effetti in senso spaziale poiché
in uno stesso acquedotto le zone d'utenza alimentate a pressione
più elevata avranno consumi specifici superiori di quelle
a pressione deficitaria o comunque inferiore. Ne consegue che
la determinazione dei consumi reali di una rete, cui si è
fatto cenno all'inizio del capitolo, può essere effettuata
soltanto partendo dai dati che tengano conto della effettiva situazione
dell'utenza, ivi compresa anche la pressione di consegna dell'acqua.
A tal fine le modalità che saranno indicate più
avanti, essendo basate sulla lettura dei contatori privati periodicamente
effettuate per la fatturazione dell'acqua, sono senz'altro le
più adatte.
Per completare la disamina degli effetti secondari provocati in
rete dalla variazione di pressione si cita un elemento, ben noto
ai progettisti degli impianti di sollevamento e che, in caso di
pompaggio asservito in automatico alla portata in uscita, incide
sulla regolazione. Possono presentarsi due casi:
a) - la portata si mantiene casualmente e per un lungo periodo
su valori prossimi alle soglie di intervento degli automatismi
(ad esempio messa in moto o arresto di pompe). In linea teorica
ha luogo, per tutta la durata del periodo stesso, un dannoso pendolarismo
nel funzionamento cioè un continuo alternarsi di ordini
e contrordini con effetti negativi sia per gli impianti che per
il rifornimento idrico. In realtà tale pericolo non sussiste
in quanto ad ogni superamento della soglia ed al conseguente avvio
od arresto automatico della pompa, corrisponde, per quanto spiegato
sopra, una sensibile variazione indotta nella portata il che elimina
ogni incertezza nell'interpretazione del segnale. Soltanto una
decisa variazione nelle richieste effettive dell'utenza può
provocare un nuovo intervento dell'automatismo: è pertanto
assicurata una grande stabilità di funzionamento del sistema
automatico di comando e controllo.
b) - durante i periodi di grande modificazioni nelle richieste
dell'utenza e conseguente manovra delle pompe (specialmente se
si tratta di macchine a velocità variabile che sono in
grado di seguirne l'andamento) ha luogo anche una variazione di
portata dovuta all'effetto indotto descritto sopra, variazione
che finisce per alterare il segnale di base cui è asservita
la pompa (portata in uscita) con risultati imprevedibili nella
regolazione. Ad esempio in caso di aumento di portata dovuto ad
una maggior richiesta di un grosso utente, la stazione di pompaggio,
per farne fronte, aumenta sia la portata che la pressione. L'aumento
di quest'ultima provoca una ulteriore maggiorazione di portata
in uscita con conseguente richiesta di nuovo aumento di pompaggio.
Il ciclo potrebbe ripetersi all'infinito con conseguenze disastrose,
fatta salva la possibilità di porvi rimedio tramite adatti
software del sistema di comando e controllo.
3) LE PERDITE DI RETE
La perdita di rete consiste nel volume
d'acqua dissipato nel terreno o comunque non utilizzato dall'utenza
a causa di piccole rotture nelle condotte o negli allacciamenti
privati. Tale volume comprende di solito anche quello dovuto alle
mancate registrazioni dei contatori e ai consumi particolari come
lavaggi delle condotte, prove a pressione, annaffiamento giardini
e lavaggio strade ecc. raramente sottoposto a misurazione.
In un acquedotto in ottime condizioni la percentuale, così
intesa, può variare da un minimo del 10-15% ad un massimo
del 30-35% della portata totale immessa in rete, per raggiungere
valori molto superiori in caso di acquedotti vetusti.
In questa sede per perdite di rete si intendono le perdite vere
e proprie. I volumi d'acqua utilizzati per consumi particolari
di cui sopra, in una razionale gestione, devono essere quantificati
anch'essi. A tale scopo è necessario che anche le bocche
di annaffiamento dei giardini o delle strade, le vasche di cacciata
delle fognature ecc. siano munite di contatori e che anche tali
consumi entrino nel bilancio idrico generale. Parimenti in caso
di lavaggio delle condotte si deve provvedere alla quantificazione
dei volumi d'acqua adoperati inserendo dei contatori provvisori
nei punti di prelievo dell'acqua dalla rete o, come minimo, stimando
dai grafici di portata totale immessa in rete l'aumento di consumo
conseguente al lavaggio. Per quanto riguarda le mancate registrazioni
si deve aggiungere che sono in parte dovute alla imprecisione
ed inerzia proprie dei misuratori cui non è possibile porre
rimedio ed in parte al loro funzionamento anomalo generalmente
causato da vetustà e che può essere evitato provvedendo
alla sostituzione sistematica ad intervallo non superiori a 8-10
anni.
Se vengono applicate tali regole, la differenza fra i volumi d'acqua
immessa in rete e la somma dei consumi letti ai contatori privati
rappresenta la reale perdita di rete. Trattasi di quantitativi
che incidono fortemente sulla economia di esercizio e sulla possibilità
di soddisfacimento del fabbisogno dell'utenza e che pertanto,
in una corretta gestione, devono essere tenuti sotto attento controllo.
Gli elementi di conoscenza di cui si può disporre in ogni
realtà acquedottistica sono però molto limitati.
Consistono esclusivamente nel volume totale d'acqua di perdita
determinabile, come già detto, per differenza tra volumi
immessi in rete e volumi fatturati e nella portata istantanea
di perdita notturna rilevabile dai grafici dei misuratori dell'acqua
immessa in rete. Si può infatti ragionevolmente ritenere
che la portata minima notturna registrata da detti misuratori,
depurata dagli eventuali prelievi di entità ben nota ed
effettuati per alimentare i serbatoi o per forniture notturne
particolari, sia, come precedentemente indicato, totalmente dovuta
alle perdite di rete.
L'integrazione di quest'ultima portata, considerata giornalmente
di valore costante per tutto il periodo intercorrente tra una
lettura dei contatori dell'utenza e la seguente, dovrebbe dare,
in doppio modo e quindi per conferma di quello già determinato
con le modalità descritte, il volume totale d'acqua disperso.
Tale equivalenza si verifica raramente in quanto, nella stragrande
maggioranza dei casi, la portata dovuta alle perdite, lungi dal
mantenersi costante per tutte le 24 ore della giornata, varia
in continuazione al variare della pressione che si stabilizza
nelle condotte dove sono ubicate le perdite stesse secondo le
regole già spiegate.
Per una completa disamina di tale fenomeno si assume come esempio
una rete ipotetica avente caratteristiche invero poco adatte per
una reale alimentazione idropotabile ma atta ad evidenziare compiutamente
il fenomeno che si vuole studiare. Si suppongono noti, come di
norma, i grafici giornalieri della portata d'acqua immessa in
rete e la pressione di pompaggio dell'impianto di produzione posto
in testa alla rete. Essendo nota anche la portata di perdita che
si verifica nei periodi notturni di minor consumo secondo quanto
sopra indicato, è possibile determinarne i valori anche
nei rimanenti periodi sulla base della variazione che subisce
, periodo per periodo, la pressione di consegna all'utenza. Infatti,
essendo le perdite dovute a rotture, fessurazioni o comunque aperture
di qualsiasi tipo esistenti nelle condotte, si possono usare le
formule idrauliche della foronomia ed in particolare la seguente:
Qx = Qi . sqrt(Px/Pi)
Dove: Qx = portata da determinare all'istante x
Px = pressione nota all'istante x
Qi = portata nota all'istante i
Pi = pressione nota all'istante i
sqrt = radice quadrata
(N.B.: nuove ricerche hanno dimostrato che la formula valida prevede la radice con esponente 1,18 anzichè 2. Ciò comporta un vantaggio ancora maggiore di quello descritto nella presente memoria)
Come risulta dallo schema idraulico della
fig. 2 la rete da esaminare concerne un centro abitato servito
da un insieme di condotte magliate alimentate da un solo impianto
di produzione e sollevamento (S1) munito di vasca di carico posta
in testa alla rete. La pressione di partenza è pertanto
costante mentre quella di consegna, essendo funzione della portata
consumata, varia in continuazione facendo di conseguenza variare
anche la portata della fughe d'acqua secondo la legge idraulica
descritta.
Nei grafici giornalieri di cui alle fig. n. 3 e 4, relative al
funzionamento a pressione di partenza costante, sono illustrate
rispettivamente per il giorno di consumo massimo e per quello
corrispondente alla media annua, l'andamento della pressione di
arrivo ai nodi (pressione media ponderale di tutti i nodi calcolata
con apposito programma di verifica della rete magliata ) nonchè
la curva delle perdite che si verificano nei due casi calcolata
con la formuletta sopra riportata.
Pur trattandosi, come già detto, di un esempio di rete
nella quale si sono volutamente esasperati i dati di funzionamento
idraulico, si possono trarre delle considerazioni molto interessanti.
Si nota innanzitutto come i periodi di maggiore perdita siano
sempre quelli di minor consumo (ore notturne e giornate di basso
consumo). Il volume totale giornaliero disperso nel terreno passa
da mc 23587 relativo al giorno di consumo max a mc 28343 per quello
di consumo medio annuo. Se si considerano le percentuali di perdita
rispetto ai volumi totali giornalieri immessi in rete (rispettivamente
mc 77760 e mc 51840) si va dal 30% nel giorno di consumo max a
55% in quello medio. Ciò starebbe ad indicare che mediamente
solo il 45% della portata immessa in rete raggiunge l'utenza mentre
si verificano percentuali ancora inferiori nei giorni di consumo
minimo.
Come
si vede i valori di percentuali di perdita calcolati, a causa
delle condizioni di funzionamento e particolarmente delle esagerate
perdite di carico che presenta la rete scelta ad esempio, sono
troppo elevati per trovare corrispondenza nella reale gestione
di una rete acquedottistica, si raggiunge però lo scopo
di evidenziarne la variazione durante l'anno tipo.
Si vuole ora indicare quali sarebbero le modalità atte
a far rientrare nella normalità anche una rete irrazionale
come quella dell'esempio,
La soluzione è rappresentata dalla radicale modifica del
sollevamento in testa alla rete. Non più vasca di carico
e quindi pressione di partenza fissa ma pompaggio diretto in rete
a pressione variabile asservita alla pressione rilevata ai punti
di consegna.
Come risulta dalle fig. n. 5 e 6 si tratterebbe di prefissare
una pressione media alla consegna più bassa (solo 15 m)
durante la notte quando sono modeste le richieste dell'utenza
e m. 25 durante le ore giornaliere. Sono indicate con linea tratteggiata
la pressione di pompaggio necessaria per raggiungere il risultato
citato sopra e, in linea continua, la curva delle perdite calcolata
in funzione della nuova pressione di consegna ed applicando la
formula indicata. Il volume totale disperso giornalmente nel terreno
risulterebbe di mc 16852 sia nei giorni di massimo che di minimo
consumo con una percentuale pari al 21% nel giorno di consumo
max, al 32% in quello medio rientrando quindi entro valori normali.
Si potrà inoltre notare come, contrariamente a quanto verificato
nella precedente soluzione, le minori perdite abbiano luogo durante
il periodo notturno.
Per ulteriore documentazione si descrivono gli effetti realmente
indotti nella rete di cui alla fig. n.1 e nella quale si è
deliberatamente forzata la pressione di esercizio durante un'intera
notte al fine di valutarne le conseguenze nei riguardi delle perdite.
I dati effettivamente rilevati e riportati nei grafici di cui alla figura n. 7, denunciano risultati ancora peggiori di quanto descritto. Si può infatti constatare come la maggiorazione della pressione di esercizio da m. 25 (pressione notturna normale) a m 53 (pressione artatamente mantenuta durante tutta una notte) abbia provocato un aumento del tutto anomalo nella portata notturna consumata che è passata da 23 l/s a 47 l/s ( al raddoppio di pressione corrisponde il raddoppio delle perdite!). Il fenomeno viene spiegato dalla formazione, non casuale, di nuove perdite. Infatti applicando la regola enunciata si evince che la portata nella notte in argomento avrebbe dovuto essere pari a soli 33.5 l/s contro i 47 l/s effettivamente misurati. Si riscontrano pertanto 13.5 l/s di consumo aggiuntivo evidentemente dovuto a nuove rotture nelle tubazioni stradali provocate dalla anomala pressione. Il fenomeno ha trovato conferma nella notte successiva nella quale, pur avendo ripristinato la pressione normale, la portata minima, invece di assumere il suo normale valore di 23 l/s, è rimasta pari a 30 l/s. Il calcolo teorico della portata a seguito della diminuita pressione (da m.53 a m.25) fornisce come risultato 32.5 l/s vicino a quello effettivo.
Una
ulteriore conferma la si è avuta nelle settimane successive
quando le nuove rotture sono state rintracciate e riparate e la
portata minima notturna è rientrata al suo valore normale
di 23 l/s circa.
Si riportano i dati riassuntivi di funzionamento:
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4) LA DISTRIBUZIONE TEMPORALE DELLE PORTATE
L'analisi della probabile distribuzione nel tempo delle portate
richieste dalle reti presenta degli aspetti caratteristici importanti
per il funzionamento della rete.
Se si esamina, ad esempio, l'andamento
medio dei consumi durante le 24 ore di una giornata dell'acquedotto
di una cittadina di medie dimensioni i cui consumi non siano influenzati
dalle variazioni di pressione cui si è fatto cenno al cap
2 (vedi grafico della fig. n. 8), si nota come si abbiano portate
minime dalle ore 1 alle ore 5 circa. Alle 5 ha inizio un rapido
aumento che si esaurisce circa alle ore 8 con la punta massima
pari a circa 1,5-1,6 volte la media. Le portate subiscono quindi
una modesta diminuzione per stabilizzarsi su una portata pari
a circa 1,2 volte la media per una durata di circa 7 ore (dalle
11 alle 18). Dalle 18 alle 20 ha luogo un modesto aumento di portata
dopodiché ha inizio la fase di diminuzione che si esaurisce,
con le portate minime, alle ore 1 del giorno dopo.
Un'altra fondamentale caratteristica del grafico giornaliero dei
consumi è data dal valore minimo di consumo notturno intendendo
con tale termine il picco minimo, anche se di breve durata, di
acqua immessa in rete dalle centrali, valore che si è soliti
fissare in una percentuale della portata media giornaliera (ad
esempio 30%). Si fa notare invece come esso si mantenga invariato
per tutte le giornate dell'anno tipo non essendo influenzato dalle
richieste della rete che, nel periodo stesso, sono pressoché
nulle.
E' interessante anche l'andamento del grafico annuo di durata
delle portate medie giornaliere ottenuto ordinando i volumi giornalieri
in senso decrescente (v. fig. 9). Si nota un punto di flesso che
indica come le giornate di maggior consumo (portata media superiore
a 1.17 rispetto alla media annua) siano pari a soli 35 giorni
all'anno corrispondenti al 10% dell'anno.
Il fenomeno si accentua maggiormente ove si esamini il grafico
di durata delle portate orarie durante un anno (vedi fig.9)),
caratterizzato anch'esso da un accentuato punto di flesso e dal
quale si può rilevare come le ore di maggior consumo (portata
media superiore a 1.51 rispetto la media annua) si riduca a sole
450 ore pari al solo 5% dell'anno.
Se ne deduce immediatamente come il dimensionamento delle opere
acquedottistiche basato, come di norma, sui consumi critici (ora
di punta) comporta un funzionamento che si svolge in modo razionale
soltanto per periodi brevissimi mentre nella stragrande maggioranza
delle giornate dell'anno esso sarà caratterizzato da pressione
sovrabbondante con duplice effetto negativo: inutile dispendio
energetico di sollevamento ed eccessiva pressione in rete cui
corrisponde una maggiorazione delle perdite di rete come indicato
al precedente cap.3.
Sarà invece consigliabile prevedere reti studiate per un
esercizio ottimale ai regimi di portata media e medio bassa caratterizzati
da un grande frequenza. Ai consumi elevati, molto rari durante
l'anno, si dovrà far fronte mediante particolari accorgimenti
anche se a consumo energetico elevato. Ne risulterà comunque
un bilancio economico vantaggioso essendo al tempo stesso assicurato
all'utenza un servizio regolare. Un esempio di rete concepita
secondo i principi descritti è riportato, con determinazione
dei vantaggi conseguibili, nel n. 3/1998 de "L'ACQUA"
con la nota " La razionalizzazione delle reti di distribuzione
di acqua potabile a sollevamento meccanico"
5) LA COMPENSAZIONE GIORNALIERA DELLE PORTATE
Le funzioni esplicate dai serbatoi, di grande importanza per l'ottimizzazione
dell'esercizio di ogni complesso acquedottistico, sono principalmente
due: quella di mantenere una quantitativo d'acqua pronta ad essere
immessa in rete in caso di guasti negli impianti di produzione
o di richieste anomale dell'utenza, e quella di coprire il divario
fra produzione, di solito a portata pressoché costante
per l'intera giornata, e le richieste dell'utenza caratterizzate
da forti consumi diurni e consumi quasi nulli durante la notte.
In sunto si può dire che le due funzioni sono la riserva
di sicurezza e la compensazione giornaliera delle portate. I volumi
mediamente necessari a tale scopo sono corrispondenti rispettivamente
al 100% ed al 15% del fabbisogno del giorno di massimo consumo
anche se, di regola, ci si limita a volumi ben inferiori.
I serbatoi possono essere di due diversi tipi:
· quelli annessi alla produzione, di solito del tipo a
terra e caratterizzati da grandi volumi d'invaso, svolgono principalmente
il ruolo di accumulo o riserva;
· quelli di rete, generalmente adibiti alla compensazione
giornaliera delle portate, sono di dimensioni più contenute
e normalmente del tipo in quota (pensili o sopraelevati) cioè
con l'invaso altimetricamente ubicato in corrispondenza della
piezometrica di rete in modo da rendere possibile l'interscambio
diretto di portate con quest'ultima e cioè senza interposizione
di apparecchiature idrauliche di sorta (pompe, valvole di regolazione
ecc, ecc,).
Nella memoria "La razionalizzazione
delle reti di distribuzione d'acqua potabile a sollevamento meccanico"
precedentemente citata, si è dimostrato come non sempre
il funzionamento dei serbatoi sia corretto e che, in tali casi,
la funzione di compensazione delle portate venga in tutto o in
parte a mancare.
Un altro problema, spesso risolto in maniera inadeguata, è
quello della regolazione della alimentazione a distanza dei serbatoi
sia che abbia luogo tramite condotte di adduzione sia con prelievo
da condotte della rete di distribuzione.
La forma più semplice e diffusa consiste nella presenza,
nel serbatoio di arrivo, di galleggianti dei quali quello a quota
superiore comanda la chiusura dell'adduzione per raggiunto invaso
massimo e mentre gli altri, opportunamente posizionati a quote
inferiori, provvedono a comandare l'immissione, l'aumento o la
diminuzione della portata immessa.
In pratica, con il dispositivo descritto, il serbatoio tende a
rimanere sempre pieno e solo nei giorni di massimo consumo, quando
la portata della produzione è inferiore alle richieste
di punta, ha luogo il suo intervento e la conseguente utilizzazione
del volume invasato in precedenza. In tutti gli altri giorni,
e specialmente in quelli di basso consumo, la punta viene coperta,
in tutto o in parte, dall'impianto di produzione: viene in tal
modo a mancare il ruolo di tale impianto che dovrebbe essere quello
di immettere in rete le sole portate medie giornaliere.
La soluzione del problema può essere trovata asservendo
l'adduzione ad un prefissato grafico giornaliero dei livelli che
il serbatoio deve assumere durante la giornata tipo. Salvo una
migliore determinazione da effettuarsi in sede di reale esercizio
il grafico potrà, ad esempio, prevedere il riempimento
totale alle ore 5 del mattino quando hanno inizio i consumi dell'utenza,
alle ore 9, quando i consumi sono elevati, si potrà prevedere
uno svuotamento del 50%, alle 16 del 70% e alle 20 del 80%. Alle
ore 22 avrà inizio il riempimento con un gradiente regolare
fino alle ore 5. Il dispositivo automatico effettuerà ad
intervalli regolari dei test di controllo e, se i livelli reali
risulteranno inferiori a quelli fissati come sopra, comanderà
un aumento nell'adduzione in serbatoio. Al contrario nessuna adduzione
avrà luogo quando i livelli risulteranno superiori . Una
regolazione come quella indicata presenta il vantaggio di consentire
lo sfruttamento giornaliero dell'intero volume accumulato durante
la notte secondo quelle modalità che il gestore potrà
imporre a suo piacimento mediante modifica del grafico preimpostato.
Nel mentre nei giorni di consumo massimo sarà possibile
effettuare la totale compensazione, negli altri giorni si potrà
sfruttare la totale, e in tali casi esuberante, capacità
del serbatoio per altri fini, come ad esempio quello di utilizzare
cascami di energia elettrica meno costosi diminuendo la produzione
giornaliera a favore di quella notturna. Sarà anche possibile
mantenere costantemente la produzione sul valore medio giornaliero
essendo a forziori garantito che il serbatoio effettua la compensazione
in tutte le giornate anche in quelle di bassi consumi.
6) DETERMINAZIONE DELLE EROGAZIONI ISTANTANEE AI NODI
La razionale gestione di un complesso acquedottistico, soprattutto
se a sollevamento meccanico come sono quelli trattati nel presente
lavoro, non può, a giudizio di chi scrive queste note,
prescindere dalla verifica automatica e continuativa del suo funzionamento
idraulico attuata confrontando i dati reali di funzionamento con
quelli teorici determinati in tempo reale mediante modello matematico
della rete. Oltre ad avere la vera conoscenza della rete, indispensabile
per ogni valutazione economica e tecnica di esercizio o di intervento
progettuale, in tale ipotesi sarebbero immediatamente segnalate
tutte le anomalie di funzionamento come ad esempio rottura di
condotte, manovre errate, mancato funzionamento di apparecchiature
idrauliche od elettriche, prelievi abusivi ecc. ecc. per avviare
gli immediati interventi di riparazione. Alla data attuale, mentre
risultano già risolti i problemi relativi alla trattazione
matematica di calcolo in moto permanente delle reti magliate anche
complesse (serbatoi e apparecchiature idrauliche comprese) e quelli
relativi alla sua rappresentazione fisica così come sono
risolvibili mediante installazione di adeguate apparecchiature
di misura quelli relativi alla determinazione delle condizioni
effettive di funzionamento delle apparecchiature idrauliche (pompe,
valvole di regolazione ecc.) e dei serbatoi, permangono grandi
incertezze su due fattori condizionanti i risultati: la scabrezza
reale delle tubazioni, che sono oltretutto variabili durante la
vita della rete, ma soprattutto le portate erogate ai nodi argomento
questo che forma l'oggetto specifico del presente capitolo.
Gli Enti di gestione sono da tempo dotati di sofisticati programmi
per la gestione amministrativa dell'acquedotto con elaboratore
elettronico. Viene creata ed aggiornata con continuità
una banca dati relativa all'esercizio in genere e cioè
ai lavori di costruzione e di manutenzione del complesso acquedottistico,
alle domande di allacciamento, ai preventivi spesa e consuntivi
dei lavori, alla tenuta dell'anagrafe degli utenti e dei contatori,
alle operazioni varie degli utenti (chiusure, riaperture, reclami,
manutenzioni, cambio contatori, cambio nome, rimborsi vari, ritardi
nei pagamenti ecc, ecc.) e alle letture dei contatori privati
e fatturazione dell'acqua consumata.
Si tratta di una grande mole di dati generalmente utilizzati a
soli fini amministrativi, dai quali sarebbe possibile ricavare
anche le portate d'acqua consegnate agli utenti periodo per periodo
e da utilizzare ai fini citati nella premessa di questo capitolo.
Per raggiungere lo scopo sarà innanzitutto necessario redarre
lo schema idraulico cioè la rappresentazione planimetrica
semplificata della rete nella quale, oltre alle caratteristiche
qualitative, geometriche e topografiche delle condotte, siano
individuati e numerati i punti singolari (nodi) della rete (incroci
di condotte, cambiamento di sezione, punti di allacciamento di
utenti particolari ecc.), in cui si suppone concentrato il prelievo
da parte degli utenti. All'atto dell'archiviazione dei consumi
bimestrali o semestrali di ciascun utente ricavato dalle letture
dei contatori, dovranno prevedersi anche i riferimenti a detto
schema idraulico.
I programmi applicativi di gestione dovrebbero quindi essere modificati
in modo da renderli atti svolgere anche le seguenti funzioni;
· attribuire ad ogni nodo un numero progressivo che lo
individui univocamente sia sulla planimetria in scala sia sullo
schema idraulico;
· redarre, al computer e parallelamente lo schema grafico
deformato della rete che tenga conto di tutte le condotte di rete;
· annessa allo schema idraulico compilare una banca dati
con tutte le caratteristiche dei vari tronchi (numero di inizio
e fine del tronco, lunghezza, diametro e tipo di materiale costituente
la condotta);
· assegnare, mediante opportuni codici memorizzati nella
banca dati dello schema idraulico, tutti gli utenti ai rispettivi
nodi di appartenenza creando, per gli utenti più importanti,
dei nodi fittizi. Questa operazione consentirà di determinare,
in occasione di ogni bollettazione, i volumi d'acqua consumati
da ciascun nodo nel periodo considerato.
Per quanto riguarda la compilazione dello
schema idraulico che sarà poi utilizzato per le verifiche,
si devono fare alcune considerazioni.
Per i calcoli si usa utilizzare uno schema semplificato comprensivo
delle sole condotte principali in quanto si è sempre ritenuto
che quelle secondarie non influiscano sui risultati ma che la
loro funzione idraulica si esaurisca in ambito locale. Si è
invece constatato che l'eliminazione di quest'ultime condotte
provoca un duplice errore. Innanzitutto, pur essendo di piccolo
diametro, esse costituiscono una grandissima estesa di tubazioni
funzionanti in parallelo alle maglie principali che, se trascurata,
comporta un ovvio errore sui risultati finali del calcolo. Il
secondo problema, che interessa particolarmente il presente lavoro,
consiste nella impossibilità di attribuire razionalmente
ai nodi le portate degli utenti che sono allacciati alle condotte
da eliminare.
Ora, considerato che i calcoli idraulici sono comunque eseguiti
con grande rapidità dagli elaboratori e che le moderne
procedure di verifica delle reti magliate sono atte a garantire
in ogni caso la convergenza delle iterazioni, è senz'altro
preferibile includere nello schema tutte le condotte, nessuna
esclusa, rendendo in tal modo più complesso e laborioso
lo schema ma più semplice la sua redazione e più
attendibile il risultato. Da notare come, nel caso di reti magliate
molto complesse, alcuni programmi di calcolo consentono di dividerle
in molte sottoreti minori collegate tra di loro da una od anche
da numerose condotte. Il programma, ad ogni seduta di calcolo,
provvede dapprima ad equilibrare ogni singola sottorete e quindi
al collegamento ed equilibratura dell'insieme rendendo in tal
modo più veloce e più sicuro risultato. Questa procedura,
la cui adozione è in ogni caso consigliabile, oltre a semplificare
le operazioni di calcolo eseguite dal computer, fornisce risultati,
completi di riepiloghi generali, suddivisi zona per zona, e quindi
ne facilita l'utilizzazione anche nel caso di verifica dei consumi
zona per zona come si spiegherà più avanti.
Per la determinazione dei consumi ai nodi in oggetto, una metodologia
da seguire può essere quella di dividere ogni tronco di
condotta in due parti di uguale lunghezza e di attribuire a ciascuno
dei due nodi di estremità gli utenti allacciati alla semicondotta
adiacente. La semplificazione così attuata rispetto ad
altre (ad esempio quella di considerare i consumi uniformemente
distribuiti lungo il tronco) fornisce risultati finali sufficientemente
esatti.
Sarà possibile, determinare i volumi d'acqua consumati
dagli utenti nell'intero periodo di lettura ed attribuibili a
ciascun nodo, e da questi ricavare le portate istantanee consumate
in ogni nodo utilizzando gli elementi noti e cioè, trattandosi
di verifica del funzionamento di un dato istante, la portata totale
che le centrali immettono in rete nell'istante medesimo e il cui
valore deve corrispondere alla somma dei consumi attribuiti ai
nodi.
L'analisi degli elementi definiti con le modalità descritte
porta a importanti conclusioni. In pratica si trasformano i dati
di lettura dei contatori privati in semplici coefficienti di proporzionalità
che applicati ai valori di portata totale della rete (portata
immessa in rete dalle centrali), consentono di determinare, con
una procedura che qui definiremo sbrigativa, la portata effettiva
istantanea di ciascun nodo. E' evidente che vengono attribuiti
ai nodi tutti i consumi anche quelli non dovuti all'utenza quali
sono ad esempio le perdite occulte della rete che, in questa sede,
sono supposte distribuite in tutto il territorio proporzionalmente
ai consumi degli utenti. I valori istantanei da utilizzare nei
calcoli sono pertanto tacciati da un duplice errore: quello inevitabile
dovuto alle letture che essendo trimestrali od addirittura semestrali
possono contenere degli scostamenti con le particolari condizioni
di consumo dell'istante considerato e quello, anch'esso sistematico,
dovuto al fatto che le eventuali perdite di rete sono assimilate
e conglobate nei consumi dell'utenza. In caso di reti vetuste
nelle quali la percentuale di perdita è rilevante e quindi
rilevante la sua incidenza sui risultati finali, si può
ovviare, almeno in parte, adottando una migliore procedura che
consiste nel determinare l'ammontare in l/s (continui e costanti
per ogni ciclo di 24 ore) delle perdite, ammontare che corrisponde
alla portata minima notturna immessa in rete dalle centrali. Per
controllo la portata così determinata per tutte le giornate
del trimestre e considerata, in prima approssimazione per quanto
spiegato al precedente cap. 3, costante per tutte le 24 ore, determina
un volume totale trimestrale di perdita che deve coincidere con
quello ricavato dalla differenza tra volumi immessi in rete e
volumi contabilizzati in base alle letture dei contatori privati.
Le portate totali istantanee attribuibili ai nodi (portate esterne)
sono date dalla somma di due valori: la portata dovuta alle perdite
(costante per 24 ore) determinata come sopra e quella dovuta ai
consumi veri e propri pari al residuo immesso in rete dalle centrali
negli istanti considerati. A sua volta i due quantitativi vanno
suddivisi tra tutti i nodi seguendo due diverse modalità:
la portata dovuta alle perdite, supposta uniformemente distribuita
in tutta la rete, può essere attribuita ai nodi in proporzione
alla superficie interna delle condotte di competenza di ciascun
nodo, l'altra in proporzione dei coefficienti di consumo trimestrale
determinati, come indicato, sulla base dei consumi letti ai contatori.
Un esercizio razionalmente organizzato consente di adottare, nei
calcoli in argomento, anche modalità più rigorose.
Invece di considerare costante per tutta la giornata la portata
di perdita, essendo ben note sia le portate di perdita effettiva
notturna sia le pressioni reali in tutta la rete, è possibile
calcolare in continuo, seguendo le modalità indicate al
cap. 3, i volumi totali d'acqua che la rete dissipa nel terreno
ed utilizzare tali valori per la ripartizione tra tutti i nodi.
Nella distribuzione della perdita tra tutti i nodi si potrebbe
infine applicare zona per zona un coefficiente correttivo che
tenesse conto della incidenza della pressione media di consegna.
Come già detto con le metodologie descritte, ivi compresa
anche quella più sofisticata, si determinano soltanto i
coefficienti medi di proporzionalità da utilizzare per
distribuire tra tutti i nodi la portata effettiva immessa in rete
dalle centrali nell'istante considerato e depurata delle perdite.
Anche tale operazione può essere fonte di errori in quanto
i coefficienti di proporzionalità vengono applicati all'utenza
considerata come omogenea mentre, in realtà, potrebbe non
esserlo.
Si ricorda infine che la portata prelevata dagli utenti, come
spiegato al cap. 2 è funzione anche della pressione di
consegna la cui variazione nel tempo e da zona a zona introduce
un ulteriore fattore di imprecisione nelle determinazioni di cui
si discute.
Per eliminare o ridurre gli errori inevitabilmente presenti è
necessario suddividere la rete in più sottozone inserendo
dei misuratori nelle condotte di collegamento in modo da conoscere
per ciascuna di esse, la portata in entrata ed in uscita, quella
minima notturna che rappresenta le perdite ed infine gli utenti
alimentati e poter quindi operare la suddivisione zona per zona.
Quando ciò risulti materialmente impossibile (ad esempio
per la eccessiva presenza di condotte che collegano tra di loro
le varie sottozone) si inseriranno dei misuratori solo nei tronchi
principali di connessione il che consentirà, in sede di
taratura del modello matematico della rete, di effettuare, oltre
ai controlli generali di congruenza, anche il confronto tra le
portate istantanee calcolate e quelle effettive che transitano
in detti tronchi e, in caso di differenze non trascurabili, esaminarne
le caratteristiche ed applicare dei coefficienti correttivi zona
per zona.
Ciò è reso possibile dal fatto che, essendo noti
i sensi di percorrenza dell'acqua in tutte le condotte, sono definite
le linee di "displuvio" che delimitano la zona di pertinenza
di ciascun punto di misura e quindi i nodi da correggere zona
per zona.
Ulteriori e preziose indicazioni non
possono che provenire dalla sperimentazione diretta e continuativa
effettuata durante il normale esercizio e che risulterà
tanto più efficace quanto più numerose saranno le
apparecchiature di misura installate a macchia d'olio in tutto
il territorio servito come ad esempio venturimetri e manometri
di rete di cui non si finirà mai di sottolineare l'importanza.
Ad esempio qualora il sistema di verifica automatica segnalasse
in alcune zone e durante il periodo notturno di bassi consumi
una pressione reale sensibilmente inferiore a quella calcolata
ciò starebbe ad indicare che le piccole perdite invece
di essere uniformemente distribuite nell'area servita come supposto
a priori e come è auspicabile, sono, al contrario, maggiormente
concentrate in dette zone. In tale evenienza due sarebbero le
strade da seguire: modificare le portate di perdita attribuita
ai nodi oppure intensificare la ricerca ed eliminazione delle
perdite nelle zone critiche. Ambedue le procedure conducono ad
un miglioramento dei risultati dei calcoli di verifica. Non si
può far a meno di sottolineare l'importanza della seconda
procedura con la quale si raggiunge un importante risultato: quello
di orientare in continuazione la ricerca ed eliminazione delle
perdite diffuse verso quelle zone dove queste sono maggiormente
presenti.
Dalle esperienze fatte nella verifica del funzionamento idraulico
di reti reali nelle quali si sono potuti confrontare i risultati
teorici con i dati effettivi, si è constatato che gli elementi
definiti secondo la procedura sbrigativa sopra descritta sono
sufficientemente precisi. Le portate finali che si ottengono,
essendo basate sul consumo medio trimestrale, rappresentano il
fabbisogno istantaneo più probabile di ogni singolo nodo
depurato dalle eventuali e precarie anomalie e tenuto conto di
tutte le circostanze reali di alimentazione dell'utenza tra cui
anche la pressione media effettiva di consegna dell'acqua zona
per zona che, come ben noto, influenza i consumi specifici.
D'altro canto lo scopo del calcolo di verifica, da effettuare
durante il normale esercizio, non è quello di rappresentare
matematicamente e pedissequamente il comportamento reale della
rete nei vari istanti bensì quello di evidenziare gli scostamenti
tra dati di funzionamento ideale negli istanti medesimi e la reale
situazione. Le portate da introdurre nel calcolo sono pertanto
quelle mediamente auspicabili e non quelle effettive condizionate
dalle anomalie del momento.
In definitiva le verifiche condurranno ai seguenti risultati:
o in regime di normale funzionamento le portate determinate secondo
le modalità descritte si avvicinano a quelle reali e pertanto
i valori risultanti dai calcoli corrispondono a quelli reali;
o al verificarsi di una anomalia (rottura di condotta, grande
prelievo abusivo d'acqua, apertura di uno scarico, sfioro di un
serbatoio ecc. ecc.) la conseguente maggior portata in uscita,
prontamente registrata dai misuratori delle centrali di sollevamento,
invece di venir attribuita al nodo competente va a distribuirsi,
essendo applicate le regole sopra enunciate, tra tutti i nodi.
Ne consegue una portata al nodo dove si è verificata la
perdita nettamente inferiore a quella reale e quindi una pressione
di calcolo notevolmente superiore di quella effettiva, mentre
per i rimanenti nodi, cui vengono attribuite portate approssimate
per eccesso, i risultati del calcolo di verifica denunciano pressioni
inferiori rispetto a quelle reali. In altri termini i calcoli,
al verificarsi dell'anomalia, denunciano pressioni di tutta tranquillità
per tutti i nodi della rete eccettuati quelli interessati dalla
nuova perdita per i quali viene invece segnalata una depressione
addirittura superiore a quella effettiva. Sono in tal modo enfatizzati
gli effetti provocati in rete dalla perdita e consistenti in un
cono rovescio di depressione con vertice in corrispondenza della
perdita medesima che pertanto diventa facilmente ubicabile.
7) CONCLUSIONI
Alcuni dei problemi che assillano l'esercizio degli acquedotti,
come ad esempio la presenza di rilevanti perdite di rete, sono
stati descritti nei loro aspetti pratici con motivazioni ed alcune
verifiche teoriche. Ciò ha consentito di formulare proposte
per il miglioramento funzionale ed economico dell'esercizio dei
complessi acquedottistici con particolare riguardo per quelli
a sollevamento meccanico.
Sempre in tema di portata si sono esaminate nel capitolo 6 le
modalità da seguire per determinare con buona approssimazione
le erogazioni effettive ai nodi della rete in servizio normale.
E' questo un compito arduo ma essenziale per la messa a punto
delle procedure di verifica idraulica continuativa ed automatica
basate sul calcolo della rete magliata in moto permanente effettuato
in tempo reale e che costituiscono un vero salto di qualità
nella gestione automatizzata della rete. L'avvio di tali procedure,
più volte annunciato da importanti Enti di Gestione, non
risulta, a chi scrive queste note, ancora attuato con successo
per le molte difficoltà che, in sede di applicazione pratica,
sorgono proprio per le determinazioni in argomento. In tal senso,
lungi dal poter considerare chiuso l'argomento, si confida di
aver fornito, con il presente lavoro, degli spunti per intravederne
la soluzione.