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:
Gergina Mihaylova
Relatori:
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:
HAMMER-diam. foro 9,84mm
HAMMER-diam. foro 16mm
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.
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
13
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
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
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.
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”
83 %
Zone con diminuizione in
percentuale della portata
nella parte centrale della
rete Volterra Capoluogo
in condizioni di crisi
acuta.
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!