dei Trasporti e del Territorio UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PISA FACOLTA’ DI INGEGNERIA Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Idraulica, dei Trasporti e del Territorio TESI DI LAUREA “STATO DELL’ARTE SULLE PERDITE NELLE RETI DI ACQUEDOTTO. SIMULAZIONI NUMERICHE SUGLI ACQUEDOTTI DI VOLTERRA.” Candidato: Relatori: Gergina Mihaylova Prof. Ing. Stefano Pagliara Prof. Ing. Valerio Milano Ing. Michele Palermo

1 PARTE : STATO DELL’ARTE SULLE PERDITE NELLE RETI DI ACQUEDOTTO TIPOLOGIA DELLE PERDITE Perdite di sottofondo Perdite da rotture segnalate Perdite da rotture non segnalate MODI E PARAMETRI DI VALUTAZIONE Bilancio Idrico Analisi delle portate notturne Component Analysis

Bilancio Idrico proposto dall’International Water Association →I performance Indicators

ILI = Perdite Reali Annue /Perdite Reali Annue Inevitabili Solo 10% dei sistemi idrici situati in Piemonte, Emiglia Romagna e Toscana rientra nei parametri di efficienza (Banda A) ,70% ha una efficenza media e scarsa (Banda B e C) e addirittura 20% è inefficiente.

METODI ADOTTIVI PER CONTENERE LE PERDITE REALI Aproccio a 4 componenti

2 PARTE : SIMULAZIONI NUMERICHE SUGLI ACQUEDOTTI DI VOLTERRA LINEE GUIDA PER LA GESTIONE DEGLI ACQUEDOTTI: RICERCA PROGRAMMATA DELLE PERDITE DI RETE CALIBRAZIONE DEL MODELLO MEDIANTE ESPERIENZE DI LABORATORIO SIMULAZIONI NUMERICHE DI PERDITE SUGLI ACQUEDOTTI DI VOLTERRA SIMULAZIONI DI SCENARI VIRTUALI PER OTTIMIZZARE LA POSIZIONE DELLE VRP SIMULAZIONI DI SCENARI VIRTUALI PER OTTIMIZZARE LA GESTIONE DEI RAZIONAMENTI DELL’ACQUA NEL CASO DI CRISI ACUTA

LINEE GUIDA PER LA GESTIONE DEGLI ACQUEDOTTI: RICERCA PROGRAMMATA DELLE PERDITE DI RETE Viene usato il programma HAMMER creato della Environmental Hydraulics Group (ENG); Simulazioni numeriche sugli acquedotti in condizioni di moto vario, provocato da una chiusura totale istantanea di una valvola; Analisi dei segnali di pressione a monte della valvola e confronto dei risultati nelle condizioni con e senza perdita; Nelle simulazioni numeriche la perdita è simulata come una derivazione mediante un tubo che scarica in un serbatoio a pelo libero. Il livello dell’acqua nel fittizio serbatoio e la lunghezza del tubo sono calibrati affinché la portata effluente sia pressoché uguale alla portata della luce a battente .

CALIBRAZIONE DEL MODELLO MEDIANTE ESPERIENZE DI LABORATORIO Non avendo misure sperimentali di campo a disposizione si sono eseguite simulazioni numeriche con il programma HAMMER a breve e lungo periodo delle prove di laboratorio che il prof. Bruno Brunone e il prof. Marco Ferrante dell’Università degli studi di Perugia hanno condotto . La perdita è simulata a 128,5m a monte dalla valvola. L’acqua dalla perdita viene scaricata in un serbatoio a pelo libero. In tutti i test la chiusura della valvola viene eseguita in meno di 2s. Sono stati effettuati diversi test con velocità di propagazione dell’onda da 345 a 363m/s. La portata iniziale è Q = 3,00 l/s. Tutto il sistema giace su un piano orizzontale. Nel serbatoio di monte si mantiene livello costante.

CONDOTTA INTEGRA RISULTATI IN LABORATORIO HAMMER-senza perdita HAMMER-diam.foro 6,5mm RISULTATI: Sapendo che il target ragionevole tra le altezze piezometriche calcolate e misurate è ±1,5 ÷ ±5m si può concludere che le simulazioni effettuate hanno fornito segnali di pressione del tutto paragonabili a quelli ottenuti in laboratorio. HAMMER-diam. foro 9,84mm HAMMER-diam. foro 16mm

Simulazioni numeriche a breve e lungo periodo con variazione dell’entità della perdita e materiale delle condotte (tubi di ghisa e acciaio). Condotta di ghisa integra, simulazione a lungo periodo con intervallo di tempo 0.02s e 5000 passi. Condotta di ghisa forata, diam.foro 6,5mm simulazione a lungo periodo con intervallo di tempo 0.02s e 5000 passi.

SIMULAZIONI NUMERICHE DI PERDITE SUGLI ACQUEDOTTI DI VOLTERRA La rete di distribuzione è costituita da due distretti: La rete di Volterra Capoluogo è costituita da 1232 nodi, 1246 tubi, 43 serbatoi, 2 pompe e 81 valvole. La rete nella zona Saline di Volterra è costituita da 53 nodi, 57 tubi e un serbatoio. PROCEDIMENTO Vengono simulate perdite di diversa entità e posizione. Il colpo d’ariete è originato da una chiusura totale e istantanea di una valvola nel tempo di 0,4s; Si generano i grafici della pressione a monte della valvola in condizioni di condotta integra e condotta forata; Dall’analisi dei segnali di pressione si evince la presenza della perdita simulata;

La rete nella zona Saline di Volterra:condizioni di condotta integra Segnale di pressione a monte della valvola. Simulazione a breve periodo con intervallo di tempo 0.005s e 500 passi, per un totale di 2,5 s. Nella sezione di misura si distinguono le discontinuità dovute al consumo localizzato ai nodi, ai diversi materiali costituenti la rete e al passaggio delle onde riflesse dal serbatoio e dai vari rami.

Condotta forata-fuoriuscita per mezzo di un tubo di ghisa di 50cm e diam.6,5mm che dirotta una parte della portata in un fitizio serbatoio. Segnale di pressione a monte della valvola. Simulazione a breve periodo con intervallo di tempo 0.005s e 500 passi, per un totale di 2,5 s. Nel caso di condotta lesionata con diametro del foro 6.5 mm nella sezione di misura si distinguono le discontinuità originate dalla rottura.

La rete di Volterra Capoluogo

Parte della rete nel codice di calcolo HAMMER

Segnale di pressione a monte Segnale di pressione a monte della valvola in condotta integra Segnale di pressione a monte della valvola in condotta forata Si nota che è estremamente difficile interpretare i risultati acquisiti a monte della valvola. Quindi interpretiamo i risultati in un tratto più significativo.

Segnale di pressione nel Segnale di pressione nel tubo 424 nodo 20n in condotta integra Segnale di pressione nel tubo 424 nodo 20n in condotta forata

SIMULAZIONI DI SCENARI VIRTUALI PER OTTIMIZZARE LA POSIZIONE DELLE VRP Diversi test realizzati internazionalmente hanno dimostrato che la frequenza delle rotture aumenta rapidamente in sistemi operanti a pressioni maggiori di 35-40 metri di colonna d'acqua. Controllo della pressione: Nel codice di calcolo EPANET si sono simulati diversi posizionamenti di valvole riduttrici di pressione dal momento che queste risultano essere estremamente elevate in particolare durante le ore di massimo consumo. Si è valutato che l’inserimento di cinque valvole regolatrici sulla rete Saline di Volterra mantiene una pressione più adeguata e livellata nella rete durante le 24 ore del giorno. Nella rete Volterra Capoluogo vengono inserite 69 nuove valvole regolatrici di pressione e viene effettuato il cambiamento delle caratteristiche di regolazione di alcune delle 44 valvole già esistenti sulla rete. Le valvole dovranno essere controllate dal momento che la riduzione di pressione che esse debbono attuare varia a seconda del consumo giornaliero.

Rete Saline di Volterra Massimo consumo l/s

Quote piezometriche nell’ora di massimo consumo prima del montaggio delle valvole Quote piezometriche nell’ora di massimo consumo dopo il montaggio delle valvole

Quote piezometriche nell’ora di minimo consumo prima del montaggio delle valvole Quote piezometriche nell’ora di minimo consumo dopo il montaggio delle valvole

La rete di Volterra Capoluogo Quote piezometriche relative ai nodi in metri nell’ora di massimo consumo prima del montaggio delle valvole 589 nodi con pressione relativa maggiore di 75m H2O, 371 nodi con pressione relativa maggiore di 100m H2O e addirittura 53 nodi con pressione relativa maggiore di 200m H2O.

Quote piezometriche relative ai nodi in metri nell’ora di massimo consumo dopo il montaggio delle valvole 182 nodi con pressione relativa maggiore di 75m H2O e solo 32 nodi con pressione relativa maggiore di 100m H2O.

Quote piezometriche relative ai nodi in metri nell’ora di medio consumo prima del montaggio delle valvole 545 nodi con pressione relativa maggiore di 75m H2O, 349 nodi con pressione relativa maggiore di 100m H2O e 23 nodi con pressione relativa maggiore di 200m H2O.

Quote piezometriche relative ai nodi in metri nell’ora di medio consumo dopo il montaggio delle valvole 261 nodi con pressione relativa maggiore di 75m H2O, 54 nodi con pressione relativa maggiore di 100m H2O.

PROCEDIMENTO – rete Saline di Volterra SIMULAZIONI DI SCENARI VIRTUALI PER OTTIMIZZARE LA GESTIONE DEI RAZIONAMENTI DELL’ACQUA NEL CASO DI CRISI ACUTA PROCEDIMENTO – rete Saline di Volterra Usando il codice di calcolo HAMMER la situazione di crisi acuta nella rete viene simulata con l’arresto completo del flusso di ricarica verso il serbatoio a monte, ossia la simulazione contempla il caso di svuotamento totale del serbatoio. Dopo la simulazione a lungo periodo si evince che dal momento nel quale il flusso verso il serbatoio viene interrotto la rete è in grado di servire tutte le sue utenze in condizioni di massimo consumo giornaliero per un periodo non maggiore di 195 minuti. Si stima la sequenza in cui le zone entrano in crisi. Per ottimizzare la gestione dei razionamenti dell’acqua si cerca di distribuire la portata con valvole regolatrici di portata nella rete in un modo più uniforme per ottenere un tempo di svuotamento del serbatoio maggiore e in questo modo aumentare il tempo necessario affinché si registrino le prime situazioni di crisi.

Distribuzione della pressione relativa in percentuale nei tubi Segnale di pressione relativa nel tratto 1232 - serbatoio in condizione di massima domanda giornaliera. Svuotamento completo del serbatoio dopo 195min.

PROCEDIMENTO – rete Volterra Capoluogo Viene analizzata la parte centrale della rete simulando una crisi acuta nel serbatoio “Castello”, essendo il più importante per la rete, ovvero quello che eroga più portata e posto a quota assoluta maggiore tra i 43 serbatoi presenti nell’acquedotto. La rete viene analizzata in condizioni di massimo consumo giornaliero. Si è stimato che nel caso il serbatoio raggiunge il suo minimo livello di 0,2 m, 367 nodi di consumo rimarranno con pressione relativa pressoché zero, ossia circa il 30% della rete si troverà in condizioni di crisi acuta. Il razionamento dell’acqua viene eseguito limitando la domanda d’acqua disponibile nelle diverse zone con diversa percentuale secondo l’entità della crisi provocata. Tale riduzione può essere ottenuta mediante l’introduzione di valvole nelle suddette zone. In questo modo si ottiene una distribuzione della portata nella rete più uniforme in condizione di crisi acuta.

Schema della pressione relativa della rete in condizioni di crisi acuta con il minimo livello dell’acqua nel serbatoio “Castello”. Zona di servizio del serbatoio “Castello”

Zone con diminuizione in percentuale della portata nella parte centrale della rete Volterra Capoluogo in condizioni di crisi acuta. 83 % 50 % Zone con diminuizione in percentuale della portata nella parte centrale della rete Volterra Capoluogo in condizioni di crisi acuta e razionamento dell’acqua. 65 % 54 %

GRAZIE PER L’ATTENZIONE!