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Risorse idriche naturali 141

Parte terza

Risorse idriche naturali

Premessa Tra le varie fasi del ciclo dell’acqua, la parte di maggiore interesse, quali risorse idriche idonee

alle loro utilizzazione, è rappresentata dai deflussi superficiali e sotterranei.

Figura 1. Deflussi superficiali e sotterranei

Le fonti di approvvigionamento delle acque superficiali sono costituite dalle sorgenti, dai corsi d'ac-

qua e dai laghi. Le acque superficiali necessitano a volte, prima di essere ammesse all'uso, di trat-

tamenti correttivi dei caratteri naturali, in ogni caso necessari per l'uso potabile della risorsa.

Tra la superficie del terreno e la superficie di fondo l’acqua meteorica attraversa, per percolazione,

vari strati suddivisibili in due regioni:

di dispersione, generalmente terreno agricolo soggetto ad evaporazione ed assorbimento da

parte dell’apparato radicale dei vegetali (traspirazione);

di acqua fissa , non soggetta ad azioni disperdenti .

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La circolazione dell’acqua nel sottosuolo può essere limitata nel moto orizzontale da alterazioni

della permeabilità mentre, in senso verticale, è condizionata dalla presenza di una superficie di

fondo impermeabile o dalla progressiva riduzione della permeabilità correlata alla porosità del ter-

reno. La grandezza e la densità dei vuoti condizionano, ovviamente, la capacità di ritenzione idrica

e di trasmissibilità del terreno .

Figura 2.

Ammassi granulari: a) omogenei ed impermeabili ; b) omogenei ma permeabili ; c) elementi impermeabili di

diverse dimensioni; d) cementati. Rocce fratturate: e) carbonatiche ; f) cristalline

la Porosità misura il volume dei vuoti all’interno di un volume unitario di terreno

la Permeabilità rappresenta la caratteristica di un ammasso ad essere percorso dall’acqua

una roccia è permeabile solo se vuoti e fessure sono tra loro comunicanti e di dimensioni tali da far

prevalere la gravità sulle forze di adesione molecolare.

Escludendo il caso di elevata porosità (ghiaie), il moto nel mezzo filtrante è assimilabile al moto

lineare regolato dalla legge di Darcy : JfV [1]

V= velocità di filtrazione : rapporto tra la portata Q e la sezione trasversale della falda (compresa

l’area dei granuli); J = pendenza piezometrica

f = coefficiente di filtrazione (f=0,000007 m/s per d=0,06 mm ; f=0,0003 m/s per d=0,4 mm ;

f=0,0018 per d= 1 mm)

Figura 3

Con riferimento alla Figura 41 è possibile descrivere in maniera sintetica alcune situazioni particolari

del sottosuolo (ubicazione della strato impermeabile di sostegno della falda, sovrapposizioni di strati

impermeabili a strati permeabili, affioramenti, ecc.) dalle quali vengono generate scaturigini e risa-

lienze dell’acqua .

1 Figure 4÷9 sono ridisegnate dal Volume: Corso di Costruzioni Idrauliche 1°. Prof.Ing. Filippo Arredi .1966 La Goliardica Roma


Figura 4

Quando la falda scorre attraverso uno strato poroso non saturo sostenuto da uno strato impermeabile

si ha una falda libera superficiale o freatica ; quando lo strato permeabile è contenuto tra due strati

impermeabili possono verificarsi due casi : se la zona permeabile non è satura, la falda è libera e

profonda, mentre se la zona permeabile è satura e soggetta a pressione tale che i livelli piezometrici

siano al disopra della superficie di fondo della falda superiore, si ha falda in pressione o falda

artesiana.

Quando le acque di falda raggiungono la superficie del suolo danno luogo a scaturigini naturali

dette sorgenti . Queste, rispetto a situazioni topografiche e geologiche , possono essere classificate

in :

sorgenti di fondo (Figura 5) : originate dall’affioramento dello strato impermeabile che costituisce la

superficie di fondo :

da detrito : la superfice di fondo, impermeabile, è ricoperta da un ammasso detritico (cono di

deiezione, morena, materiali di frana) che è sede della falda la quale affiora, a valle, al piede del

detrito;

monoclinale o fluviale : la superficie di fondo che presenta una direzione costante e pendenza

uniforme (monoclinale), affiora su un pendio ;

Sinclinale o lacuale : lo strato impermeabile presenta una concavità verso l’alto (sinclinale) affiorante

su un pendio;

Figura 5.

sorgenti di affioramento o emersione (Figura 6) : il terreno taglia localmente, per incisione, la

superficie della falda generando le sorgenti di pendio ovvero per depressione; in questo caso possono

presentarsi due scaturigini sui versanti opposti con l’affioramento di sorgenti di valle ;

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Figura 6.

sorgenti di drenaggio (Figura 7) : sono conseguenti all’esistenza, all’interno di un ammasso per-

meabile, di fessurazioni che costituiscono un sistema di circolazione dell’acqua di tipo vascolare. Sono

tipiche di mezzi fratturati e di zone carsiche .

Figura 7.

sorgenti di sfioramento : (Figura 8) sono generate dall’affioramento di uno strato impermeabile sub-

verticale, generalmente non di sostegno della falda

Figura 8

sorgenti artesiane (Figura 9) :sono alimentate da falde in pressione in presenza di fratture dello

strato impermeabile o di faglia con rigetto dello stato superficiale.

Figura 9.


1. Opere di presa da sorgenti

Le acque di sorgente hanno costituito e costituiscono tuttora, specialmente in Italia, la fonte

preferita di alimentazione degli acquedotti destinati all'uso potabile. Le opere di presa delle acque

sotterranee sgorganti naturalmente alla superficie del suolo rispondono, pertanto, prevalentemente

a criteri di progettazione e di realizzazione intesi a conservare le qualità proprie chimiche e

batteriologiche delle acque, nonchè i loro caratteri organolettici ed a preservare le acque stesse

da ogni contatto con l'ambiente esterno. Le acque devono essere captate nel punto o nei punti nei

quali la condizione geologica ne determina lo sgorgo, e non nei detriti ove le acque stesse si

infiltrano dopo lo sgorgo in sede geologica. Pertanto questa sede deve essere raggiunta rimuovendo,

con scavi a cielo aperto, le formazioni di ricoprimento ovvero traversandole con scavi in trincea o

in galleria realizzando cunicoli murari (Figura 10).

Inoltre devono essere predisposti provvedimenti intesi ad evitare che l'opera di captazione possa,

nel tempo, essere aggirata con conseguente perdita parziale o totale dell'acqua da utilizzare ed

eventualmente con rischio di compromettere la stabilità delle opere murarie della presa.

L’opera di presa per l'uso potabile viene preclusa, con pareti vetrate, al contatto del personale

addetto a sorveglianza e manovra, così da impedire l'inquinamento dell'acqua.

Le opere di captazione sono realizzate secondo schemi abbastanza semplici. La molteplicità delle

possibili condizioni, sia morfologiche che geologiche, danno luogo a tipologie costruttive alquanto

diverse. Tuttavia possono individuarsi alcune condizioni fondamentali nel rispetto delle quali le

opere sono state tradizionalmente concepite e realizzate.

Figura 10

Queste condizioni vengono fissate da una soglia muraria, fondata nelle strato impermeabile e spinta

a profondità sufficiente per evitare sifonamento dell'opera; dinnanzi ad essa si sviluppa

l'edificio contenente tutti i dispositivi occorrenti per la raccolta delle acque, sedimentazione,

sfioro dei superi, intercettazione, misura, ecc. Più complesse sono le opere di captazione di

sorgenti di drenaggio e di affioramento.

In entrambi i casi è usuale risalire, con trincee o gallerie, le direttrici con maggiori deflussi,

penetrando, più o meno profondamente secondo i casi, nella formazione alimentante la sorgente.

I cunicoli di maggiori dimensioni possono avere un canale di raccolta e convogliamento delle

acque, con livello al di sotto degli sgorghi.

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Figura 11. Opere di presa dell’acquedotto de “La Ferrierra”

Pianta e sezione longitudinale

Figura 12. Sorgenti

Il canale di raccolta confluisce in una vasca di raccolta e da questa, per il tramite di uno stramazzo

di misura, nella vasca di presa. L’opera di presa per l'uso potabile viene preclusa, con pareti ve-

trate, al contatto del personale addetto a sorveglianza e manovra, così da impedire l'inqui-

namento dell'acqua.

Figura 13. Sezione trasversale a-b


Figura 14. Stramazzo

Figura 15. Sezioni trasversali

L'edificio di presa assume configurazioni dettate da situazioni specifiche e, pertanto, sono

possibili numerose soluzioni pratiche .

Figura 16. Sorgenti di Capo Sele – Acquedotto Pugliese

148

Figura 17. Sorgenti di San Giovanni Pinguente – Acquedotto Istriano

Portata complessiva 300 l/s

2. Opere di emungimento da falde

Il prelievo diretto da falde, in un campo di profondità dal piano di campagna molto vario, viene

eseguito con i pozzi. A seconda della falda possono aversi pozzi freatici e pozzi artesiani (Figura 18).

Figura 18. Pozzi in falda freatica ed artesiana

La portata del pozzo freatico è espressa dalla relazione :

w

0

2w

20

r

rln

hhfQ

[2]

mentre per il pozzo artesiano la portata erogabile è

w

0

w0

r

rln

hhbf2Q

[3]


Figura 19 . Curva caratteristica di un pozzo

Indicando con w0 hh la differenza tra il livello statico della falda ed il livello dinamico che si

stabilisce nel pozzo in fase di emungimento della portata Q la [2] una funzione quadratica di

mentre la [3] è una funzione lineare.

Questo significa che riportando in un diagramma successivi valori di correlati a diverse portate Q

la [2] ha andamento parabolico mentre le [3] è una retta.

Secondo la metodologia di scavo i pozzi possono essere distinti in :

praticabili

tubolari

I primi, generalmente di forma circolare, hanno diametro superiore al metro; lo scavo, eseguito

originariamente esclusivamente a mano, in tempi più recenti si effettua con mezzi meccanici di

rottura e recupero del marino (benne, draghe o escavatrici elicoidali) e, a seconda dei terreni

attraversati, deve essere seguito immediatamente, tratto per tratto, dal rivestimento, ovvero può

essere rivestito dopo raggiunta la totale profondità.

Salvo realizzazioni eccezionali, si spingono fino a profondità limitate, cosicché attingono prevalente-

mente alla prima falda freatica, gli altri invece possono spingersi fino a profondità anche dell’or-

dine delle centinaia di metri, fino a falde artesiane profonde.

I pozzi comuni hanno tradizione antichissima ed hanno rappresentato l’unico sistema affidabile di

approvvigionamento idrico. In genere hanno sezione circolare rivestita in muratura di pietrame o

mattoni e malta cementizia; il diametro della sezione libera viene fissato da ragioni esecutive e in

base alle istallazioni da fare nel pozzo: varia da un minimo di 1,20 m a 6÷ 10 m.

Figura 20. Pozzo di Pagliare di Tione –L’Aquila

150

Figura 21. Particolare discenderia

Eccezionale fu la realizzazione del pozzo di San Patrizio in Orvieto2. In origine pozzo della Rocca fu

fatto costruire da Clemente VII nel 1528 su progetto di Antonio da Sangallo il Giovane. La costru-

zione è profonda 60 m e larga 13 m . Esternamente alla canna centrale girano sovrapposte due

cordonate a chiocciola di 248 scalini, una per la discesa e l’altra per la salita, utilizzate per gli animali

da soma (Figure 22).

Figura 22. Pozzo di San Patrizio - Viterbo

2 Pozzo di San Patrizio deriva dalla tradizione popolare che indica una caverna sita sull’isolotto del lago Derg (Irlanda) che immetteva agli Inferi e che Gesù Cristo mostrò a San Patrizio. Chiunque vi avesse soggiornato un’intera giornata, notte compresa, avrebbe ottenuto il per-dono dei peccati.


L’estrazione dell’acqua dai pozzi praticabili comporta varie modalità di installazione dei relativi mac-

chinari. Una tipologia ormai desueta collocava i gruppi elettropompe su solaio o in nicchia realizzati

nella canna del pozzo a conveniente altezza (Figura 23).

Figura 23

Ridisegnata da: Appunti di Costruzioni Idrauliche V.1°. Prof.Ing. G Ippolito .1960.Ed.Treves

Il gruppo elettropompa, prima dell’avvio, doveva essere riempito d’acqua nel tratto di condotta di

aspirazione dalla valvola di non ritorno 1 alla saracinesca di regolazione 2. Questa operazione detta

“adescamento della pompa” evitava aspirazione d’aria con conseguente mal funzionamento della

macchina. Successivamente l’evoluzione dei metodi di scavo e la realizzazione di macchine idrauliche

di dimensioni più contenute hanno reso più diffusi i pozzi “tubolari” con diametri di scavo più contenuti

per arrivare fino ad 1÷1,5 m, realizzati per perforazione.

Il termine perforazione 3 indica il complesso di operazioni necessarie per realizzare pozzi di sezione cir-colare mediante tecniche di scavo che non prevedono l’accesso diretto dell’uomo. Per perforare un pozzo è necessario esercitare contemporaneamente le seguenti azioni: a) vincere la resistenza del materiale roccioso, frantumandolo in particelle millimetriche; b) rimuovere le particelle di roccia, continuando ad agire su materiale sempre nuovo; c) mantenere la stabilità delle pareti del foro; d) impedire l’ingresso in pozzo dei fluidi contenuti nelle formazioni attraversate.

I pozzi tubolari, fino a profondità di circa 150 m, possono essere realizzati per percussione, utiliz-

zando sonde o cucchiaie del diametro appropriato (max 1200 mm), generalmente un pesante cilindro

cavo di acciaio; questo viene lasciato cadere dall'alto da un treppiede o da un mezzo attrezzato

(Figura 24); dopo la caduta ed il relativo sollevamento, si realizza lo scavo per alcuni cm recuperando

il materiale di alcuni centimetri.

3 Da Enciclopedia degli idrocarburi - Volume 1 - Capitolo 3.1 Impianti e tecnologie di perforazione

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Figura 24 . Sistema di scavo a percussione

Se alla percussione si somma l’effetto della rotazione della sonda si ha la perforazione tipo rotary

con conseguente diminuzione dei diametri fino a 300÷350 mm .

Il terreno è perforato mediante un utensile tagliente, detto scalpello, ruotato, con velocità minima di

30 - 40 giri/1', e contemporaneamente spinto sulla roccia del fondo pozzo utilizzando aste metalliche

con giunto a cannocchiale di diametro decrescente. Durante la perforazione viene immessa aria

compressa sul fondo del foro (DHH - Down Hole Hammer).

L'aria dal fondo del foro provoca una veloce risalita dei detriti e nello stesso tempo una perfetta

pulizia del terreno, evitando così all'utensile il dannoso lavoro di triturazione del materiale disgregato.

Le profondità raggiungibili con tale sistema sono elevate, 200300 m (Figura 25).

Figura 25

Con il sistema a rotazione, indicato soprattutto per terreni rocciosi, la perforazione viene effettuata

con un carotiere fornito, in punta, di una corona dentata costituita da punte metalliche ad alta resi-

stenza, generalmente al Vanadio.


Nella perforazione a rotazione vengono utilizzate miscele lubrificanti acqua-bentonite pompate fino

alla testa rotante secondo due distinte metodologie.

Metodo a rotazione diretta:

viene impiegato fino a profondità di circa 600÷800 m. E’ costituito essenzialmente da una macchina

rotary la cui potenza determina il diametro di perforazione e la profondità. Con questo sistema si

arriva a perforare con diametri di 500 600 mm. fino alla profondità desiderata.

Vengono impiegati fanghi di perforazione bentonitici che oltre ad assicurare la stabilità del foro per-

mettono la fuoriuscita del "cutting" (detriti di perforazione).

Una volta raggiunta la profondità prevista si procede alla posa in opera della camicia di rivestimento

finale ed al suo completamento, analogamente al sistema a percussione sopra descritto. Il sistema

consiste nell' iniettare a pressione il fluido attraverso la testa di adduzione, le aste e gli ugelli dello

scalpello, con una pompa di opportuna dimensione, mentre tutto il complesso ruota azionato da una

tavola rotary e da una testa idraulica. I detriti prodotti dallo scalpello misti alla miscela vengono

spinti verso l’alto attraverso lo spazio anulare tra la parete dello scavo e le aste; il fluido ha inoltre

la funzione di lubrificare e raffreddare l'utensile. I detriti, portati in superficie, vengono fatti decan-

tare, quindi separati dal fluido meccanicamente, permettendo cosi al fluido stesso di riprendere il

ciclo senza grossi problemi . La spinta della colonna di fango e la coesione sostengono la parete dello

scavo fino all’introduzione della tubazione di rivestimento (camicia del pozzo).

Figura 26. Perforazione diretta

Metodo a rotazione inversa :

si utilizza fino a profondità medie di 200 ÷300 m con diametri da 1000÷1500 mm. Viene impiegato

generalmente in terreni alluvionali con matrice medio fine e necessita di quantità di acqua elevate

per l'esecuzione della perforazione . Il fluido di circolazione scende tra il perforo e le aste e risale

trascinando, dal basso verso l'alto, i detriti prodotti dallo scalpello, dentro le aste e fino alla vasca di

decantazione per poi ridiscendere nel foro iniziando un nuovo ciclo. La velocità ascensionale all’in-

terno delle aste raggiungere valori di circa 1 m/s, sufficiente per trasportare detriti anche grossolani.

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Figura 27. Perforazione indiretta

Il sistema a circolazione inversa consente di effettuare pozzi di grande diametro a medie ed alte

profondità senza eccessivi problemi, con una velocità di avanzamento abbastanza elevata.

Una volta raggiunta la falda acquifera termina lo scavo e con il materiale scavato è possibile risalire

alla stratigrafia del terreno alle varie profondità (Figura 28).

Il foro viene rivestito con tubazioni di acciaio saldate o

trafilate e forate nel tratto più basso , per consentire il

drenaggio dell'acqua ed il conseguente sollevamento .

Nei pozzi per acqua potabile, oltre la chiusura superiore

del pozzo e la posa in opera del rivestimento esterno, in

acciaio o cls armato, si cala nel pozzo una camicia costi-

tuita da tubi di PVC, successivamente si satura l’interca-

pedine con malta cementizia.

Come si vedrà più dettagliatamente nella quarta parte

un impianto di sollevamento è caratterizzato dal valore

della potenza espressa in kwatt secondo l’equazione :

mig

kWHQ81,9hhHQ81,9

P [1]

Hm è la prevalenza o altezza monometrica , espressa in

metri di colonna d’acqua [m], rappresenta l’aumento di

carico tra l’ingresso e l’uscita della pompa, pari alla

somma della prevalenza geodetica Hg (dislivello topogra-

fico tra la quota del bacino di presa e quello di scarico e

pertanto indipendente dalla portata) nel caso di pozzi la

quota più depressa è rappresentato dal livello

Figura 28. Stratigrafia pozzo


dinamico che si stabilisce nel pozzo per effetto dell’emungimento. Le delle perdite di carico ripartite

h sono funzione della portata Q ,del diametro DN, della scabrezza k e dello sviluppo L della condotta

lungo la condotta di mandata, sia nel tratto verticale lungo il pozzo e sia dalla condotta di alimenta-

zione fino al serbatoio terminale; infine hi rappresenta tutte le perdite concentrate:

Hm = Hg+h(Q,DN,k,L)+ hi

Figura 29. Profilo altimetrico di una condotta di alimentazione di un serbatoio con sollevamento da pozzo

La portata Q, espressa in [l/s] o [m3/s] o [m3/ora] è quella che può essere emunta dal pozzo

causando un abbassamento del livello della falda. La correlazione tra valori di portata e abbassamenti

della falda consente di definire la Curva di rendimento del pozzo o Well Test e determinare il livello

dinamico al quale corrisponde il valore della portata normale di utilizzazione, valori indispensabili per

il dimensionamento dell’impianto di sollevamento.

Figura 30. Well test

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Le prove di emungimento possono essere effettuate in vari modi ma tutti tendono a misurare, in

funzione del tempo, il ripristino del livello indisturbato della falda all’interno del pozzo per un’asse-

gnata portata. Se il livello tende a risalire può essere aumentata la portata di emungimento ,in caso

contrario ridotta. Ovviamente quando il livello resta immutato per un periodo di tempo sufficiente-

mente lungo significa che si è raggiunto il voluto equilibrio tra portata emunta e livello dinamico nel

pozzo (Figura 30).

Nei pozzi trivellati (Figura 31) vengono, ormai, sistematicamente istallati gruppi elettropompe di

costruzione particolarmente compatta aventi ingombro esterno di poco inferiore al diametro interno

della colonna di rivestimento (Figura 32).

Figura 31 . Pozzo trivellato

Figura 32. Caratteristiche tecniche di elettropompe sommerse


Tali gruppi, nei quali il motore elettrico perfettamente stagno è situato immediatamente sotto

la girante, o la successione di giranti in serie costituenti la pompa, restano sospesi alla tubazione

premente e sono alimentati attraverso un cavo elettrico adatto a servizio subacqueo, mentre i

dispositivi di avviamento e controllo elettrico sono situati in superficie, presso la testa del pozzo,

all’interno di un manufatto di protezione (Figura 33).

Infine è da prevedere sia una bonifica dell’area circostante il pozzo, per un raggio di non meno di

200 m, ed una recinzione di protezione del manufatto dall’accesso di persone ed animali.

Figura 33. Manufatto di protezione

Alfine di poter eseguire un’agevole sostituzione dell’elettropompa può risultare conveniente avere

una botola nel solaio di copertura, sulla verticale del pozzo, in modo da poterla sfilare lungo questo

con tutta la condotta di mandata.

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3.Derivazioni da corsi d’acqua superficiali

Anticamente la presa, sprovvista di dispositivi di regolazione, si limitava ad una bocca a battente

aperta in fregio al canale principale; in questo modo non si aveva la possibilità di regolare i livelli

nell’adduttore nè tanto meno di regolare la portata derivata .

Un manufatto di derivazione elementare può essere costituito da una luce posta lateralmente corri-

spondente all'incile del canale derivato. Generalmente erogano una portata dipendente dal livello di

monte (semi –modulo) ; la funzione di regolazione è demandata ad una luce a stramazzo.

Figura 1

3.1. luci a stramazzo

Ostacolo posto perpendicolarmente alla corrente in modo da realizzare una soglia sfiorante

Bocca o luce a stramazzo

La portata, in condizioni di velocità di arrivo della corrente trascurabile, risulta:

hg2lhQ [1]

L larghezza dell’alveo e della soglia, h altezza d’acqua compresa tra il ciglio sfiorante e la superficie

libera misurata “fuori chiamata” a monte della soglia, coefficiente di efflusso da scegliere a seconda

della geometria con la quale viene realizzata la soglia sfiorante.

Stramazzo unificato Bazin

E’ un dispositivo di misura di portata che può essere di precisione se realizzato secondo le indicazioni

della Normativa di Unificazione UNI-EN 6871-71P. Stramazzo posto al temine di un canale sufficien-

temente lungo ( alcune decine di metri) e carico h ( compreso tra 3 80 cm), dovrà avere:

petto della traversa p 2 h e comunque 30 cm

la distanza a tra ciglio dello stramazzo ed il livello idrico a valle deve essere 0,5 h e comunque

30 cm

il canale adduttore deve essere rettilineo, a fondo piano, con sponde verticali lisce e parallele per

una lunghezza L 20 h e comunque non minore di tre volte la larghezza l dello stramazzo

la corrente in arrivo deve avere una distribuzione uniforme della velocità

il carico h dovrà essere misurato ad una distanza, dalla lama sfiorante, L 4 h

la lama tracimante deve essere aerata con ampie bocche di aerazione ( per l =1 m ed h = 20

cm è necessaria una bocca di 10 cm2


le pareti verticali, a valle dello stramazzo, dovranno essere il prolungamento di quelle di monte

2

2

H

h55,01

h

003,0405,0

valida per 0,10<h<0,60 m 0,20< p <2,00 m ;

3.1.1.Stramazzo rettangolare in parete sottile con contrazione laterale :

Per l < L/3 ed h/p < 1 la portata è esprimibile ancora

dalla formula generale degli stramazzi:

hg2lhQ

0,6

3.1.2.Stramazzo triangolare :

Formula generale 2

gtan2hg215

4Q 5

con = 0,61 2

gtanh46,1Q 5,2

3.1.3.Stramazzo trapezio - stramazzo Cipolletti

La inclinazione dei lati (1/4) compensa l'effetto della con-

trazione laterale.

La portata è data da: 2/3hb86,1hg2hb415,0Q

0,41

3.1.4.Stramazzi in parete grossa (s > 0,65 h) - Stramazzo

160

rettangolare (stramazzo Belanger)

La vena effluente aderisce sulla soglia ; la portata ri-

sulta espressa da:

hg2hl385,0Q

L'altezza della lama d'acqua sulla soglia risulta :

.

3.2. Luci a battente

Il livello a monte è maggiore della quota massima della luce; viene pertanto definito battente l’altezza

h che misura la differenza tra queste due quote. Sono anche dette Bocche rigurgitate quando il livello

idrico di valle è superiore o al limite uguale alla quota superiore della luce.

La portata Q uscente risulta: 21 hhg2Q

Il coefficiente di efflusso µ vale circa 0,60÷0,61.

Bocca o luce a battente

parzialmente rigurgitate quando il livello idrico di valle è compreso tra la soglia e la quota superiore

della luce.

Nel caso di bocche a battente parzialmente rigurgitate la portata esitata risulta:

Per bocche a spigoli vivi µ1 e µ2 si assumono pari a 0,60. Per bocche a spigoli raccordati i valori dei

due coefficienti di efflusso aumentano fino a valori massimi pari a 0,7 ÷ 0,8.

Bocche in parete sottile : quando il perimetro della luce presenta, nella direzione dell’efflusso, spigoli

vivi in modo tale che la vena si distacchi completamente o parzialmente dal contorno;

hg2hl385,0Q

h3

2hc

5,11

5,1222231 hhg2b

3

2hg2hhbQ


3.3. Bocche regolate con paratoie

3.3.1. Efflusso non rigurgitato : la pendenza di valle è generalmente maggiore della pendenza critica,

in caso contrario la velocità di efflusso è tale da allontanare il risalto idraulico.

Con riferimento alla Figura, indicando con s il sollevamento della paratoia, l’altezza della corrente

nella sezione contratta sarà : , mentre la portata . Per paratoia a

bordo tagliente ed s < H/4 = 0,615 per s > H/4 = 0,66 0,70

3.3.2. Efflusso rigurgitato :

la pendenza di valle è minore della pendenza critica, o la velocità di efflusso è insufficiente a tenere

il risalto lontano dalla luce .

La portata esitata sarà : uhHg2Q

La presenza di singolarità nella geometria della sezione (allargamenti o restringimenti) o discontinuità

nel tracciato (cambiamenti di pendenza, salti di fondo), provocano non solo una perdita localizzata

di energia ma anche modificazioni della superficie libera che perde il carattere di parallelismo alla

linea di fondo. Si è in presenza di regime perma-

nente non più uniforme e pertanto le caratteri-

stiche geometriche ed idrauliche della corrente

variano da una sezione ad una altra.

Figura 2 .Elementi caratteristici del moto per-

manente

s62,0hc g2hHQ c

162

3.4. Moto permanente

Anche in questo caso il carico totale in una sezione riferito ad un piano orizzontale di riferimento, è

la somma dell’altezza geometrica z, dell’altezza piezometrica h e dell’altezza cinetica g2

V2

:

g2

VhzE

2

La linea dei carichi discende sempre nel senso del moto ; tra due sezioni 1 e 2 il carico totale E

subisce una variazione LJE corrispondente alle perdite di carico per attrito.

Mentre il carico totale E decresce sempre nella direzione del moto il carico rispetto al fondo g2

VhH

2

, o carico specifico, può restare costante, come visto per il moto uniforme, o crescere o decrescere,

nel senso del moto, secondo le caratteristiche della corrente; se la velocità diminuisce (h2>h1), il

moto è permanente ritardato. Se la velocità aumenta (h2<h1) , il moto è permanente accelerato.

Figura 3. Moto permanente gradualmente variato : ritardato e accelerato

In una corrente in moto uniforme l’introduzione di una discontinuità (ostacolo, paratoia, variazione

di pendenza, allargamento o restringimento di sezione, ecc) provoca una perdita localizzata di ener-

gia con conseguente modificazione della superficie libera. Se tale discontinuità permane nel tempo il

regime di moto diventa permanente. Nel caso di correnti gradualmente variate la superficie libera si

dispone secondo profili di rigurgito; nel caso di correnti rapidamente variate la superficie subisce

una rapida quanto violenta modificazione, a volte discontinua , come nel caso del risalto idraulico.

L’equazione generale del moto gradualmente vario è espressa, a partire dal teorema di Bernoulli,

dall’equazione di De S. Venant :

Jids

dH [1]

a. Canale a debole pendenza if < ic

Figura 4

Profilo D1 - h hu hc . La profondità aumenta verso valle e, se non intervengono circostanze che

ne modifichino le caratteristiche, tende ad un asintoto orizzontale; nella direzione a monte tende all'altezza di moto uniforme hu. Profilo che si instaura a monte di un ostacolo, traverse , pile di ponte

e in alcuni casi di cambiamento brusco di pendenza ;

Profilo D2 - hu h hc . Verso monte tende asintoticamente all'altezza hu ; verso valle il moto è

accelerato e tenderà verso il valore hc .Profilo di raccordo in brusche variazioni di pendenza, a monte

di un allargamento o di un brusco salto;


Profilo D3 - h hc hu . La corrente è ritardata.; in prossimità dell'altezza critica essa tenderà al

risalto idraulico. Questo profilo è ricorrente nei casi di efflusso da paratoie quando il tirante è inferiore

a quello critico, a valle di traverse ed in particolari casi di cambiamento di pendenza.

b. Canali a forte pendenza if > ic

Figura 5

Profilo F1 - h hc hu . Verso monte tende perpendicolarmente all'altezza critica hc , mentre a valle

tenderà asintoticamente all'orizzontale. Profilo tipico a monte di traverse o di restringimenti di se-

zione ed in alcuni casi di cambiamento di pendenza.

Profilo F2 - hc h hu . Verso monte tende al valore di hc con tangente verticale mentre verso valle

tende asintoticamente al moto uniforme. Generalmente questa curva è molto corta, tende cioè con

molta rapidità al tirante di moto uniforme. Questo profilo caratterizza il passaggio tra salti bruschi e

regime uniforme e nel caso di aumento di pendenza in canali ripidi.

Profilo F3 - h hu hc Verso valle si tende asintoticamente al moto uniforme mentre, verso monte,

si riconosce una tendenza verso la verticale. Si riconosce come profilo di raccordo a valle di paratoie

o in diminuzione di pendenza.

c. Canale critico if=ic

Figura 6

3.4. 1. Tracciamento del profilo di rigurgito

Può essere effettuato integrando la [1] ; questa può essere risolta agevolmente alle differenze

finite . Riscritta in termini finiti si ha:

Jis

H

Ji

Hs

[1']

Questa risulta definita a meno di conoscere le caratteristiche del moto in una sezione di riferimento

o di controllo in corrispondenza della quale si instaura un tirante h* diverso da quello del moto

uniforme .

Per procedere nella determinazione dei profili di rigurgito, superfici libere in moto permanente gra-

dualmente variato, è necessario, preliminarmente, individuare sezioni di controllo, sezioni nelle quali

è biunivoca la correlazione Q = Q(h). Sono queste costituite, per alvei in corrente lenta, da salti di

fondo, sezioni nelle quali si realizza il passaggio della corrente attraverso lo stato critico, stramazzi,

sezioni con efflusso sotto battente, ecc.. Nel caso di h > hc la sezione di controllo va ricercata nel

tratto terminale di valle del tronco di corrente e si procede, nella integrazione, partendo da valle. Nel

caso di h < hc la sezione di controllo va ricercata nella sezione iniziale di monte del tronco di corrente

e si procede, nell'integrazione a passi finiti, partendo da monte.

Nella Figura 7 poiché la corrente è lenta ( e quindi comandata da valle) la causa perturbatrice produce

164

un innalzamento della superficie libera h* il profilo si traccia a partire dalla posizione di h* (S=0)

risalendo verso monte fino ad avere un’altezza h h*.

Figura 7

Pertanto suddiviso il tratto h*- hu in un numero sufficiente di parti, per ciascuno dei tiranti estremi

degli intervalli Si si possono calcolare le corrispondenti energie specifiche 2i

2

2

iihBg2

QhH e quindi

le differenze Hi relative a ciascun intervallo Si, a partire dal punto più vicino alla sezione di con-

trollo h* . Questo è vero solo se B è costante (alvei rettangolari)

La cadente J, da attribuire all'intervallo considerato, sarà definita con la formula di Strickler assu-

mendo per hi il valore medio dei valori estremi dell'intervallo considerato:

3

422

2

Rk

QJ

.

Risultando determinati Hi e J, noto i, resta determinato Si . Ripetendo per i tratti successivi si

risale allo sviluppo totale del profilo S . Nei successivi esempi numerici è stato utilizzato Excel di

Windows, eseguendo lo sviluppo numerico come illustrato nella seguente Figura 8:

Figura 8 .

Esempio 13 . Immissione di un affluente in un recettore


Un affluente, regolarizzato con una sezione rettangolare larga 6,00 m e rivestita con muratura in

pietra da cava, con una pendenza di fondo uniforme i = 0,0017 confluisce, con un tirante di moto

uniforme hu=1,50 m, in un corso d'acqua il cui livello di piena ordinaria raggiunge una quota + 3,00

m rispetto al fondo dell’affluente. In questa situazione deve essere verificato il profilo di rigurgito

provocato dalla quota del ricettore maggiore del livello idrico dell’affluente (Figura a).

Figura a

A volte, per alcuni eventi di piena, il profilo libero di un corso d'cqua allo scarico risulta più basso del

livello nel recettore, pur rimanendo più elevato in condizioni di piena ordinaria (Figura b).

Figura b. Rigurgito nel canale collettore causato dal recipiente

Il rigurgito potrà essere limitato al solo collettore, ma anche esteso ai suoi affluenti a seconda

dell'ampiezza del rigurgito a monte della sezione terminale del collettore.

Occorre notare che, nelle reti rigurgitate dal recipiente, la superficie libera dell'acqua è il profilo di

rigurgito determinato nella rete dallo stato idraulico del recipiente. Il tracciamento del profilo di ri-

gurgito viene effettuato da valle verso monte e, poichè la variazione è lentissima, il moto è perma-

nente .

In via speditiva possono usarsi formule semplici consistenti nel ritenere che la superficie libera

dell'acqua si disponga secondo profili curvilinei determinati empiricamente. Con riferimento alla Fi-

gura b si può prevedere, ad esempio, un profilo di tipo parabolico.

Figura c. Tracciamento semplificato di un profilo di rigurgito

formula di Poirèe : 4

2s2pspHy con ampiezza del rigurgito S (per y=0)

p

H2S

formula di Funk: sp5,0HHspH2y ampiezza del rigurgito p

H5,1S

Soluzione analitica: assunto per il coefficiente di scabrezza Strickler k=60 , sono altresì noti tutti

166

gli elementi per poter determinare la portata

35,0667,0

2/13/2 m26,220017,0*5,1*26

5,1*6*60*)50,1*00,6(iRkQ

e l'altezza critica m12,181,96

26,22

gb

Qh 3

2

23

2

2

c < hu=1,50 .

Verificato che la corrente è lenta e l'alveo è debole pendenza il profilo sarà di corrente lenta ritardata

(Figura 3 - D1) .

Il dislivello tra il valore di h*=3,00, individuato nella sezione di controllo, e l'altezza di moto uniforme

a monte hu=1,50 viene suddiviso in un numero sufficienti di parti (nell'esempio l'intervallo h*-hu è

stato suddiviso in 15 parti da 0,10 m ciascuna).

Il procedimento seguito è quello illustrato nel precedente paragrafo 4b ; nella seguente Tabella

sono riportati i valori della soluzione numerica

Nota


In modo del tutto analogo viene studiato il profilo di rigurgito in alveo in corrente veloce, iniziando

dalla sezione nella quale ha origine la variazione del tirante idrico rispetto a quello del moto uniforme.

Nel caso di corrente veloce (comandata da monte) il profilo si traccia a partire sempre dalla posizione

di h* (S=0) procedendo verso valle fino ad avere un’altezza h hu (Figura d).

L'integrazione della [a] può essere risolta agevolmente alle differenze finite .

Riscritta in termini finiti si ha Jis

H

Ji

Hs

Figura d

Suddiviso il tratto h*-hu in un numero sufficiente di parti, per ciascuno dei tiranti estremi degli

intervalli Si si possono calcolare le corrispondenti energie specifiche 2i

2

2

iihBg2

QhH e quindi

le differenze Hi relative a ciascun intervallo, a partire dal punto più vicino alla sezione di controllo

h*.

Nota la pendenza di fondo i, la cadente J, da attribuire all'intervallo considerato, sarà determinata

con la formula di Strickler assumendo per hi il valore medio dei valori estremi dell'intervallo consi-

derato:

3

422

2

Rk

QJ

infine si determinano i correlati valori di Si ed il totale sviluppo del profilo S .

Esempio 14. Deflusso da canale a debole pendenza a canale a forte pendenza

Alveo con fondo compatto senza irregolarità ( ks= 45 m1/3 s-1) a sezione rettangolare, largo 3,50 m,

caratterizzato da un primo tratto con pendenza i = 0,0005 seguito da un tratto con pendenza i =

0,008 e rivestimento in muratura normale in pietra da cava (ks= 60 m1/3 s-1) .

Per la portata esitata di Q = 7,0 m3/s corrisponde un’altezza critica :

168

m74,05,3g

7

bg

Qh 3

2

23

2

2

c

Per la determinazione dei rispettivi tiranti di moto uniforme si utilizza la formula di Strickler

2/13/2 iRkiRQ , separando i termini noti da quelli incogniti 3/2

2/1R

ik

Q

si risolve

per tentativi assegnando dei valori ad h.

Si può seguire un metodo grafico tracciando in un diagramma h = f (R2/3) i valori diR2/3

tabellati in funzione del tirante h

Tronco di monte :

70005,0*45

7

ik

Q2/12/1

dal grafico si ricava un'altezza hu=2,06 m

Tronco di valle :

3,1008,0*60

7

ik

Q2/12/1

dal grafico di ricava un'altezza hu=0,62 m

La sezione di controllo è rappresentata dall’altezza critica e pertanto verso monte il profilo di raccordo

è il D2 mentre verso valle la corrente si raccorderà all’altezza di moto uniforme con un profilo di tipo

F2 .Di seguito sono riportati gli elementi per il tracciamento dei profili determinati risolvendo, con il

metodo delle differenze finite, l'equazione generale .

Alveo a debole pendenza :

b = 3,50 m hu = 2,06 m hc = 0,74 m Q = 7,00 m3/s i = 0,0005 k = 45


Alveo a forte pendenza :

b = 3,50 m hu = 0,62 m hc = 0,74 m Q = 7,00 m3/s i = 0,008 k = 60

3.5. Moto permanente rapidamente variato – Risalto idraulico

Il passaggio della corrente da veloce a lenta creerà il presupposto per l’insorgere di un risalto idraulico

con conseguente erosione dell’alveo. Pertanto è necessario determinare la lunghezza L della platea

170

del dissipatore (con eventuali dispositivi di dissipazione) per prevenire lo scalzamento dell’opera e

ripristinare le condizioni energetiche della corrente a valle .

Come visto precedentemente negli alvei a pendenza inferiore della critica le correnti veloci tendono,

verso valle, al raggiungimento dell'altezza critica, mentre nel caso di alvei a pendenza maggiore

della critica sono le correnti lente a tendere, verso monte, all'altezza critica. In uno stesso alveo

dunque possono susseguirsi correnti lente a veloci ed il loro raccordo si attua attraverso il risalto

idraulico. Questo è rappresentato da una sopraelevazione brusca della superficie libera ed occupa

una posizione fissa. E' accompagnato da agitazione , più o meno marcata, della corrente e da grande

perdite di energia. Indicando con hm la profondità media della sezione iniziale del risalto , vengono

definiti i vari tipi di risalto a seconda del valore che assume il rapporto tra la velocità della corrente

e la radice quadrata del prodotto dell'accelerazione di gravità g per l'altezza hm. Tale rapporto è

noto come Numero di Froude :

c

V

gh

VF

m

r

con c= celerità di propagazione delle perturbazioni della corrente. Per valori di Fr < 3 il risalto si

presenta sotto forma ondulata (Figura 9 a) con successione di onde stazionarie e smorzate attorno

al valore dell'altezza di valle h2. Questo tipo di risalto è tipico di una corrente prossima allo stato

critico sia a monte che a valle del risalto. Progressivamente le ondulazioni tendono a frangersi sulle

creste ; il risalto è ondulato con frangimento (Figura 9 b)

a . Risalto ondulato b. risalto ondulato con frangimento

Figura 9

Questo rappresenta una transizione al risalto diretto o salto di Bidone (Figura 10), costituito da

un'unica onda stazionaria .Si realizza un grande vortice costituito , nella parte inferiore, dalla corrente

che si espande verso valle mentre, sulla parte superiore, la corrente superficiale è opposta al moto.

La sezione 1 è detta di monte o di ingresso mentre la sezione 2 di valle o di uscita; le rispettive

profondità della corrente h1 ed h2 sono dette altezze coniugate.

Figura 10. Risalto diretto

La distanza L tra le sezioni 1 e 2, non sempre facilmente definibile , è detta lunghezza del risalto


mentre H rappresenta la perdita di carico. A causa di un risalto generalmente è da definire la

profondità h2 , assegnata la h1, ed il viceversa; H, ed infine, la lunghezza L .

Non è possibile applicare le formule del moto uniforme in quanto il termine H, rappresentativo

della perdita di energia, non è noto. Il problema, impostato da Belanger, si risolve applicando il

teorema di Eulero al liquido compreso tra le due sezioni 1 e 2 dove la distribuzione della pressione

torna ad essere idrostatica (Figura 11).

Figura 11.

Le risultanti delle pressioni nelle sezione 1 e 2 sono rispettivamente:

1= 1 1 2= 2 2

opposte di segno e parallele al fondo del canale, mentre i flussi delle quantità di moto entranti ed

uscenti dalle sezioni considerate:

M1= Q V1 M2= Q V2

la proiezione, lungo la direzione del moto, delle forze esterne

12f21 MMPiR (1)

avendo espresso, oltre i termini già definiti,

R la risultante delle resistenze al moto causate dalla scabrezza del fondo

Pif la componente , nella direzione del moto, del peso del fluido

R e Pif assumono valori molto bassi rispetto a 1 e 2 tanto da poter essere trascurati.

La (1) si semplifica 1+M1 = 2+M2 (2)

Riconosciuto che la somma delle spinta idrostatica e della quantità di moto rappresenta la Spinta

Totale S, esplicitando i termini, per una prefissata sezione trasversale dell'alveo potrà scriversi ge-

nericamente:

2Q

S (3)

questa risulta, per portata costante, funzione univoca del tirante

h. La spinta idrostatica è nulla per h 0 e cresce indefinita-

mente per h , mentre il flusso della quantità di moto cresce

in modo inversamente proporzionale all'area e cioè tende a

zero per h , mentre tende all'infinito per h 0 . La S per-

tanto tenderà all'infinito sia per h 0 che h .

Figura 12

172

Come risulta dalla Figura 12 la funzione S presenta un minimo in corrispondenza del valore hc.

Il grafico della funzione presenta due rami uno, per h < hc , rappresentativo delle correnti veloci

l'altro, per h > hc , delle correnti lente. Poichè nelle sezioni estreme del risalto il valore di S dovrà

essere uguale è possibile risalire ai valori di h1 ed h2 ; sul grafico questa situazione identifica i due

valori di h detti appunto altezze coniugate del risalto. Nel caso particolare della sezione rettangolare

la spinta totale vale:

Bh

QBh

2

1S

22 (4)

il cui minimo si ottiene uguagliando a zero la derivata rispetto h

0Bh

QBh

dh

dS2

2

232 QhB c32

2

32

2

hgB

Q

B

Qh

in corrispondenza dell’altezza critica.

Mentre la relazione legante h1 con la sua altezza coniugata h2 si scrive

21213c hhhhh2 (5)

equazione di secondo grado che risolta in funzione di h2/h1 e trascurando la soluzione negativa

risulta: 2

h

h811

h

h31

3c

1

2

Quest'ultima relazione consente di determinare una delle due altezze

coniugate nota l’altra: ad esempio nota h1

31

3c1

2h

h811

2

hh (6)

“la lunghezza del risalto è la distanza tra l’origine del frangente e la sezione dove, ponendo sul fondo

del canale un cilindro, questo comincia a rovesciarsi; dapprima il cilindro si pone lontano dal risalto

e gradualmente lo si muove fino alla sezione nella quale sarà giustamente rovesciato dal flusso”.

Per la determinazione della lunghezza del risalto un’espressione molto semplice fu proposta da Brad-

ley - Peterka nel 1954 , per canali rettangolari:

12 hh6L (7)

mentre, sulla base di numerose esperienze su modelli idraulici, per canali trapezi:

1

122

b

bb41h5L (8)

con b1 e b2 larghezze in superficie

Infine, una volta noti , per le sezioni 1 e 2 , i valori di h, V ed H è possibile esprimere:

la perdita di carico :

2

22

1

21 h

g2

Vh

g2

VH ; il rapporto

1

2

H

H : efficacia del risalto .

La

2Q

S , come detto in precedenza, è uguale in corrispondenza delle altezze coniugate.

Pertanto consente, per un’assegnata portata Q, di definire la posizione del risalto, tracciando con

riferimento al fondo la funzione S(h) sia per la corrente veloce di monte e sia per la corrente lenta di

valle. Nel punto di intersezione essendo Sm=Sv si forma il risalto.


Esempio 15. Alveo con cambiamento di pendenza: i < ic - i > ic

Situazione analoga all’Esempio e ma con i tronchi invertiti ; pertanto si ha:

Tronco di monte : Alveo a forte pendenza

b = 3,50 m hu = 0,62 m hc = 0,74 m Q = 7,00 m3/s i = 0,008 k = 60

Tronco di valle : Alveo a debole pendenza

b = 3,50 m hu = 2,06 m hc = 0,74 m Q = 7,00 m3/s i = 0,0005 k = 45

Ricordato che il passaggio tra una corrente veloce a lenta avviene solo con un risalto, occorre valu-

tarne la posizione rispetto alla sezione C, determinando le spinte di monte e di valle:

kg976.262,0*5,3

7*7*10262,0*5,3*1000

2

1VQhb

2

1S 2

m2

m,um

kg120.806,2*5,3

7*7*10206,2*5,3*1000

2

1VQhb

2

1S 2

v2

v,uv

Rilevato che Sv Sm il risalto si localizza a monte della sezione C; pertanto essendo h1=hu,m=0,62

m hc=0,74 m con le dovute sostituzione dall’espressione (5) viene determinata l’altezza coniugata

h2 :

21213c hhhhh2 22

3 h62,0h62,074,02

m87,062,0

74,0811

2

62,0h

3

3

2

Il tratto di raccordo 1÷2 è descritto da un profilo di corrente ritardata in alveo a forte pendenza

(profilo F1).

174

4. Traverse

Le traverse sono opere di derivazione da corsi d’acqua che fissano l’alveo e le sponde, con lo scopo

prevalente di rialzare i livelli a monte per un'altezza limitata per alimentare bocche di presa, con

esercizio continuo o periodico, a copertura di fabbisogni conseguenti a diverse utilizzazioni (irriga-

zioni, acquedotti, forza motrice , produzione di energia), e rilasciare in alveo la risorsa non utilizzata

senza, peraltro, proporsi la creazione di un invaso utile alla regolazione dei deflussi.

Le traverse hanno in generale asse rettilineo disposto normalmente a quello del corso d'acqua, in

regime di corrente lenta, e in una zona nella quale questo presenti moderata o nulla curvatura

planimetrica. Rispetto alle modalità di realizzazione possono essere fisse, Figura 1, ovvero mobili,

Figura 2.

Figura 1. Traversa fissa

Figura 2.Traversa mobile

4.1. Il complesso dell'opera di presa

Nella Figura 3 è riportato, in pianta e sezione longitudinale, un esempio di opera di presa nella quale

compaiono tutte le sezioni funzionali.

Figura 3 .Complesso dell'opera di presa


Procedendo dal lato fiume verso la sezione iniziale dell’ opera di trasporto, in successione, si rileva:

1. Sghiaiatore longitudinale radente. E’ costituito da un canale, tutto realizzato lato fiume, con quota

fondo al di sotto della quota della soglia della presa, che si sviluppa lungo il fronte della bocca di

presa fino a terminare sulla spalla della traversa, in corrispondenza di una paratoia di servizio che

presidia il canale fugatore, denominato anche canale sghiaiatore e callone. L’apertura della paratoia

attiva una forte corrente concentrata, in grado di asportare il materiale ghiaioso depositatosi nello

sghiaiatore longitudinale trasferendolo a valle della traversa. Il numero giornaliero e la durata delle

operazioni di spurgo dipende dalla entità di trasporto solido di fondo presente nella corrente fluviale.

2. Sghiaiatore frontale. E’ costituito da più luci ravvicinate rea-

lizzate, lato fiume, sul petto del gradino che porta alla soglia

della bocca di presa. Alle bocche fanno seguito cunicoli di col-

legamento con la platea a valle della traversa, riportati, in

pianta ed in sezione. I cunicoli sono sezionati da paratoie la

cui programmata apertura consente l’asportazione del mate-

riale ghiaioso accumulatosi sul fronte della derivazione. Il nu-

mero giornaliero e la durata delle operazioni di spurgo, anche

in questo caso, dipendono dalla entità di trasporto solido di

fondo presente nella corrente fluviale.

Figura 4. Sghiaiatore longitudinale radente e frontale protetto da griglie

3.Griglie. La presa, suddivisa, nel caso di portate derivate medio-grandi, in almeno due distinte luci,

è sempre protetta da griglie a barre subverticali destinate all’intercettazione del materiale in sospen-

sione e galleggiante che, se non eliminato dalla corrente, potrebbe danneggiare o ridurre la poten-

zialità delle opere di adduzione. Le griglie sono costituite da barre di ferro, piatte o sagomate idrau-

licamente per contenere l’ entità delle perdite di carico e ridurre il rischio di incastro del materiale

solido. Le barre sono sostenute da NP, formanti strutture di forza, fissati ad un telaio metallico che

riporta il peso e la risultante delle spinte, idrodinamiche ed idrostatiche, sulle strutture murarie della

bocca di presa.

La pulizia viene effettuata con rastrelli meccanici azionati da carrelli mobili correnti su rotaie poste

su passerelle di servizio realizzate in corrispondenza delle bocche di presa. Nel caso di piccole deri-

vazioni l’asporto del materiale trattenuto dalle griglie viene può essere effettuato con operazioni

manuali. Il materiale raccolto viene o accumulato in appositi recipienti, successivamente caricati su

camion ed avviato a discarica, o allontanato, con cacciate d’ acqua o con nastro trasportatore, e

reimmesso nel corso d’ acqua a valle della traversa. Nella Figure 5-6 sono riportate la vista e la

sezione di vari tipi di griglie attrezzate con dispositivo automatico di pulimento. Nel caso di grandi

derivazioni, o di corsi d’acqua caratterizzati da abbondante trasporto solido in sospensione e galleg-

giante, la pulitura delle griglie viene effettuata in continuo, con ciclo intermittente temporizzato o

asservito al grado di intasamento delle griglie stesse .

176

Figura 5

Figure 6.

4.Sghiaiatore interno.


Figura 7

5.Dissabbiatore

Figura 8

6.Bocche di presa. E’ rara la soluzione di bocca di presa realizzata con una sola luce. Eccettuato il caso

di derivazioni di limitata entità (portata massima non superiore ad alcuni moduli; un modulo è dato

da 100 l/s) la bocca di presa viene realizzata con più luci, singolarmente presidiate da paratoie del

tipo piano a strisciamento. Nel caso di grandi derivazioni si ricorre all’ adozione di paratoie a seg-

mento. Il dimensionamento delle luci di presa è regolato dalla foronomia ovvero dallo studio dell'ef-

flusso di acqua da aperture chiamate , appunto, bocche o luci .

4.2. Traverse Fisse

Sono strutture semplici e meno costose delle traverse mobili ma, per contro, non consentono una

regolazione del livello di monte. Inoltre tendono ad accumulare detriti a monte della soglia di sfioro;

per questo motivo si realizzano nei pressi dell’opera di presa uno o più sghiaiatori, o calloni, muniti

di paratoie al fine di pulire dai depositi l’area antistante le luci di presa. Planimetricamente le traverse

fisse vengono ubicate con asse rettilineo e perpendicolare al corso d’acqua in punti dove questo

consente uno sviluppo dell’opera più corto ed economico.

Anticamente (Figura 9) la struttura era realizzata

con una paratia di pali (a) per la tenuta ed altri

pali (b), distanziati, con funzioni di ancoraggio

della casseratura in legno (c) riempita di pie-

trame e rivestita, superiormente con pietra squa-

drata. Il paramento di monte e la parte terminale

di valle era realizzata con pietrame di riempi-

mento giustapposto.

Figura 9

Simile, per forma, è la traversa di tipo Indiano (Figura 10), realizzata con misto di sabbia e ghiaia

178

contenuto tra muri di pietrame attestati profondamente nell’alveo, caratterizzato da materiale molto

fine. Sia il paramento di monte che di valle venivano realizzati con pietra da taglio squadrata. L’am-

piezza della struttura ed i materiali adottai consentivano una notevole deformabilità ed adattabilità

dell’opera, nonché un presidio per pericoli di sifonamento.

Figura 10. Traversa di Tipo Indiano

Di forma tozza è la traversa di tipo Italiano (Figura 11) caratterizzata da paramento di monte verti-

cale, a volte lavorato con pietra a faccia vista; generalmente a valle seguiva una piccola platea in

pietrame contenuta tra due palancolati in legname.

Figura 11. Traversa di Tipo Italiano

Quest’ultimo tipo di struttura, nel tempo, ha modificato la forma in modo da accompagnare e soste-

nere la vena tracimante o farla cadere in un bacino di smorzamento. (Figura 12)

Figura 12

Oggi le traverse vengono realizzate con soluzioni strutturali che privilegiano l’utilizzo del calcestruzzo,

pur conservando la forma, simile a quelle illustrate precedentemente, ma adottando dei criteri di

dimensionamento generalizzabili. Nota la portata di piena Q e la larghezza L della traversa, dalla

Formula di Poleni, o degli stramazzi, è possibile determinare l’altezza di sfioro h0 sulla soglia

00 hg2hLQ

Il coefficiente di efflusso , per soglie sagomate come appresso specificato, può assumersi uguale

a 0,450,48. La cresta ed il paramento di valle sono derivati dal profilo inferiore di una lama d’acqua

fluente da uno stramazzo Bazin in parete sottile (Figura 13 a).

Assegnata una coppia di assi coordinati X ed Y, quest’ultimo con verso positivo verso il basso, con

origine sul vertice della vena libera inferiore, questa descrive una curva di equazione:

85,1X5,0Y

A seguito di questa considerazione Creager propose, con successo, come profilo della cresta e del

paramento di valle una curva di equazione 8,1X47,0Y , coincidente per un primo tratto alla curva

della vena libera e gradualmente più esterna; pertanto sostituita a quest’ultima curva il profilo su-

periore del paramento di valle risulta schiacciato dalla vena effluente che aderirà alla superficie senza

problemi di distacco della vena, causa di depressioni locali. (Figura 13 b)


Figura 13

a. profilo inferiore di una lama d’acqua defluente da uno stramazzo in parete sottile b. profilo Creager di una traversa tracimante in funzione del carico fondamentale h0

Assunto come unità il carico fondamentale h0 le coordinate X ed Y sono date dall’equazione:

8,1

00 h

x47,0

h

y

La realizzazione di una traversa altera la condizione di moto e della superficie libera della corrente

con un innalzamento della superficie; questo causa, verso monte, un profilo di rigurgito tipico della

condizione primitiva della corrente (lenta o veloce). A valle della traversa la condizione idraulica di

passaggio della corrente da veloce a lenta creerà il presupposto per l’insorgere di un risalto idraulico

con conseguente erosione dell’alveo. Pertanto è necessario determinare la lunghezza L della platea

del dissipatore (con eventuali dispositivi di dissipazione) per prevenire lo scalzamento dell’opera e

ripristinare le condizioni energetiche della corrente a valle (Figura 14).

Infine in funzione del carico h0 e dell’altezza A del petto della traversa viene dimensionato il raccordo

circolare tra il profilo del paramento di valle e la platea : 0hAR

Figura 14. Geometria di una traversa fissa

Esempio 16. Verifica idraulica di una traversa fissa

Verificare le condizioni di deflusso in corrispondenza di una traversa fissa con altezza A=2,50 m e

180

coefficiente di efflusso = 0,45, inserita in un alveo regolarizzato che può essere considerato ret-

tangolare, largo 10,00 m, con pendenza di fondo i = 0,0038 ; coefficiente medio di scabrezza Stric-

kler k=35 m-1/3 s-1 a monte della traversa e k=40 m-1/3 s-1 a valle di questa nell’alveo calibrato

Nell’ipotesi del passaggio della portata di massima piena di 80 m3/s, determinare:

1. l’ampiezza del rigurgito prodotto dall’opera rispetto alla

situazione originaria

2. l’approfondimento a e la lunghezza L della platea del

dissipatore per contenere il risalto idraulico

Alla portata di massima piena di 80 m3/s corrisponde

un’altezza critica:

m87,181,9*10

80

gb

Qh 3

2

23

2

2

c

il tirante di moto uniforme , determinato dalla scale delle portate 2/13/2 iRkQ , risulta:

hu 2,60 m > hc la corrente è lenta !

In regime di corrente lenta il corpo della traversa produce un rigurgito, localizzato nella sezione di

controllo, di altezza h* somma dell’altezza A del petto della traversa e dell’altezza h0 di sfioro dedu-

cibile dalla formula degli stramazzi :

8062,19h1045,0hg2hLQ 5,100 53,2

43,41045,0

80h

5,1

1

0

m

Pertanto h*=2,5+2,53=5,03 m. La differenza tra questa altezza e l’altezza di moto uniforme è il

rigurgito prodotto dall’ostacolo: 5,03-2,60= 2,43 m.

Per conoscere l’andamento del profilo occorre risolvere l'equazione generale del moto permanente;

secondo le indicazioni riportate nel precedente paragrafo, suddiviso il tratto h*-hu in 12 parti da

circa 0,25 m ciascuna, per ciascuno dei tiranti estremi degli intervalli Si si calcolano le corrispon-

denti energie specifiche iH e quindi le differenze Hi relative a ciascun intervallo, a partire dal punto

più vicino alla sezione di controllo h*. Il calcolo è riportato in forma tabellare;

nella colonna 4 sono calcolati, per tutte le sezioni, i valori del carico totale 2i

2

2

iihBg2

QhH mentre,

nella colonna 5, sono riportati i valori della perdita di carico tra due sezioni, a distanza s (ancora

incognita);

nelle colonne 6, 7, 8 e 9 sono indicati i valori medi delle grandezze necessarie per determinare

la cadente piezometrica

3

422

2

Rk

QJ

del tratto considerato , colonna 10;

nella penultima colonna, sono riportati i singoli valori Ji

Hs

ed infine le distanze progressive


dalla sezione 1 alla sezione 12 sulla quale, ristabilendosi l’altezza di moto uniforme, cessa il rigurgito.

Andamento qualitativo del profilo di rigurgito

Seguendo l’andamento della vena oltrepassato il ciglio di sfioro la corrente assume, al piede dello

scivolo, l’altezza h1, generalmente, inferiore sia all'altezza critica hc e sia al tirante di moto uniforme

hu dell'alveo in corrente lenta. Pertanto si instaurerà un risalto idraulico del quale occorra definire

l'altezza coniugata h2 una volta noto il valore di h1.

Questo si determina applicando il teorema di Bernoulli tra le sezioni 1 e 2, nell’ipotesi che sia

trascurabile, lungo il tratto, la perdita di carico H 4 : A + g2

Vh

2

0 = g2

Vh

21

1 [a]

risolta per tentativi fornisce il valore h1. Noto h1 è possibile ricavare l’altezza coniugata h2:

21213c hhhhh2 [b] o dalla relazione

2

1Fr81h

h

21

2

[c]

4 Questo è vero in quanto la velocità di arrivo sulla soglia è molto bassa e, pertanto, ricordato che le perdite sono proporzionali al quadrato della velocità possono essere trascurate

182

A seconda di come si rapporta h2 ad hu sarà possibile conoscere la stabilità del risalto:

h2 hu il risalto si allontana dal piede dello scivolo; si realizza un risalto ricacciato ad una

distanza S lungo la quale la corrente si mantiene veloce e quindi ancora pericolosa per erosioni

sul fondo dell’alveo e conseguenti scalzanti ;

h2 < hu il risalto risulta sommerso e di lunghezza contenuta 12 hh6L

.

A valle del corpo della traversa la corrente è veloce e l’altezza h1, al piede del paramento, si deter-

mina, speditivamente, risolvendo la [a]. Questa, risolta per tentativi, da h1 = 0,89 m .

Ricordato che l’altezza critica m87,1hc , si riscontra che la corrente, al piede della traversa è

veloce essendo h1 < hc ; pertanto si ricollegherà a valle con un risalto idraulico la cui altezza

coniugata h2 può essere determinata con l’espressione [b] .

Sostituendo i termini noti 2*1,873 = 0,89 h2 (0,89 + h2) h2 = 3,41 m

Nell’alveo di valle l’altezza di moto uniforme è hu = 2,37 m < h2 . Il risalto non è contenuto e

affinché sia sommerso si dovrà abbassare la platea di una quantità a = (h2 - hu) - Posto = 1,4

a = 1,4 (3,41-2,37) = 1,45 m

A seguito di tale modifica occorrerà rideterminare i valori di h1 ed h2 :

A + a + ho = g2

Vh

21

1 risolta per tentativi h1 = 0,76 m ;

2*1,873 = 0,76 h2 (0,76 + h2) 0,76 h22 + 0,578 h2 -13,048 = 0 h2 = 3,78 m

Per hu+a = 2,37+1,45=3,82 m > h2 il risalto è sommerso ;

pertanto la lunghezza della platea potrà essere determinata con l’espressione:

L = 6(h2 - h1) = 6 ( 3,78 - 0,76 ) = 18,12 18,50 m

Nota

Per aumentare al massimo le dissipazioni di energia vengono inseriti, sulla platea, elementi emer-

genti, Chute block di varia forma e disposizione .


Figura 15. Dispositivi di dissipazione

4.3. Traverse Mobili

Derivano dalla doppia esigenza di contenere i livelli a monte in corrispondenza della portata di mas-

sima piena e di evitare interrimenti .

Si adottano traverse mobili quando traverse fisse di pari altezza verrebbero a determinare, durante

il flusso delle piene, livelli idrici a monte non compatibili con le strutture, infrastrutture ed attività

presenti nei territori latistanti il corso d’ acqua.

Altro fattore importante nella decisione di adozione di traverse mobili è l’entità del trasporto solido

del corso d’ acqua e la necessità di evitare accumuli permanenti a monte dell’ opera. Il che è evidente

in presenza di corsi d’ acqua navigabili.

In presenza di trasporto solido elevato insorgono notevoli difficoltà di gestione anche delle opere di

derivazione annesse alle traverse, difficoltà che sono agevolmente superate con l’ apertura tempo-

ranea delle paratoie, finalizzata alla rimozione del materiale sedimentato a monte.

Figura 16

Come detto, le traverse mobili sono costituite da parti fisse (la soglia, la platea, i muri di sponda, le

eventuali pile, le fondazioni) e da parti mobili (le paratoie). La struttura fissa è a geometria diffe-

renziata in funzione della differente tipologia delle paratoie, come risulterà evidente dalle descrizioni

di queste ultime nei paragrafi successivi.

Le traverse mobili hanno soglia e platea pressoché a livello del fondo dell’alveo, una o più luci sepa-

rate da pile e regolate da paratoie di diverso tipo .

Nel caso riprodotto nella Figura 17 l’opera di regolazione è realizzata con una traversa mobile costi-

tuita da una paratoia a segmento con ventola soprapposta.

184

Figura 17

Quando la paratoia è sollevata la corrente transita sulla platea in regime di corrente veloce con un

valore del carico che dovrà essere dissipato all'interno della platea. Il profilo della corrente, schema-

tizzato nella Figura 18.

In questa condizione la corrente transiterà sullo scivolo con un tirante pari all’altezza critica

32

2

cgB

Qh , correlato al carico totale Hmin = 1,5 * hc . Trascurando le perdite lungo lo scivolo è

possibile determinare l’altezza h1 al piede dall’espressione: Hmin + a = g2

Vh

21

1 .

Successivamente la corrente assume un andamento molto simile a quanto visto per la traversa fissa

e, pertanto, valgono le considerazioni già esposte

Figura 18

Esempio 17. Verifica idraulica di una traversa mobile

Riprendendo i dati dell’esempio precedente, al passaggio della portata di piena di 80 m3/s, con la

paratoia totalmente sollevata, corrisponde un tirante di moto uniforme hu 2,60 m, una velocità

s/m07,360,2*10

80

h*B

QV

uu ed un carico totale: m08,3

62,19

07,360,2

g2

VhH

22u

uu

Con riferimento alla Figura 14, la corrente transiterà sullo scivolo con un tirante pari all’altezza critica

m87,181,9

8

g

q

gB

Qh 3

23

2

32

2

c e carico totale Hmin = 1,5 * 1,87 = 2,81 m.

Trascurando le perdite lungo lo scivolo è possibile determinare l’altezza h1 al piede dall’espressione:

Hmin + a = g2

Vh

21

1 2,81+0,60 = 21

2

1hg2

qh la quale, risolta per tentativi dà h1 =1,22 m .

Essendo h1 < hc, la corrente è veloce e si ricollegherà a valle con un risalto idraulico con altezza


coniugata h2 che, per sezioni rettangolari, si calcola dalla relazione : 21213c hhhhh2 , sosti-

tuendo i termini noti: 2*1,873= 1,22 h2 (1,22 + h2) h2 = 2,72 m

Poiché hu + a = 2,37 + 0,60 = 2,97 m > h2 il risalto è sommerso .

La lunghezza della platea sarà L = 6(h2 - h1) = 6 ( 2,72 - 1,22 ) = 8,98 9,00 m, mentre la perdita

di carico tra le sezioni 1 e 2 risulterà :

2

22

1

21 h

g2

Vh

g2

VH = 0,25 m.

4.4. Le fondazioni delle traverse su terreni permeabili

La realizzazione di una traversa presuppone uno studio preliminare necessario per la scelta della

località (moderata curvatura planimetrica, regolarità dell’alveo e possibilità di impostare il corpo della

traversa sulle sponde laterali per evitare possibili aggiramenti della corrente in fase di piena) e sia

per avere, a seguito di sondaggi, la conoscenza della natura geologica del terreno di fondazione che

dovrà essere, possibilmente, impermeabile e di natura rocciosa. In realtà è molto più sovente

necessario realizzate fondazioni su terreni alluvionali (permeabili essendo costituiti essenzialmente

da ghiaia, sabbia e materiale minuto) accertando che la velocità di filtrazione sia tale da escludere

fenomeni di sifonamento, ovvero di asportazione, dal piano delle fondazioni, del materiale più minuto

con conseguante collassamento della struttura (Figura 19).

Figura 19. Collassamento per sifonamento

L’ insorgere di moti di filtrazione genera sottopressioni, al disotto della fondazione, che possono

essere pericolose per la struttura sottile della platea ed inoltre possono causare, come detto, il

sifonamento della struttura. Costruttivamente, per cercare di ridurre al massimo la velocità di filtra-

zione, vengono realizzati, sotto la fondazione, muri di taglione o diaframmi , con lo scopo di au-

mentare il percorso e ridurre le perdite di carico .

186

Figura 20. Taglioni o diaframmi

Per indicazioni di larga massima o per piccole traverse si può ricorrere alla formula di Bligh (1907);

si valuta il Coefficiente di scorrimento h

LCs

, rapporto tra la lunghezza del contorno L (abcdefgh)

della fondazione a contatto con il terreno ed il carico idraulico disponibile h (Figura 21).

Figura 21

Cs deve essere maggiore di un valore caratteristico Cs* , tipico del terreno di fondazione .

Nella Tabella IV sono riportati, per vari terreni, i valori di Cs*

Tabella I

Terreno Cs*

Sabbia fine limosa 8,5

Sabbia grossa 5,0

Ghiaia mista a sabbia 3,5

Ghiaia grossa e ciottoli 2,5

Argilla media 2,0


5.Laghi

Un lago è caratterizzato da una massa d’acqua che riempie una cavità o depressione terrestre senza

comunicazioni dirette con il mare ed ha una profondità sufficientemente elevata da non presentare

vegetazione sommersa. Quando la profondità è minima nasce vegetazione sul fondo: se questa ri-

mane sommersa, lo specchio liquido assume il nome di stagno ovvero palude. Un lago è aperto se è

presente uno o più emissari, in caso contrario si dice chiuso.

Quando lo specchio d’acqua è comunicante con il mare, dal quale è separato da sottili strisce di terra,

si ha la formazione di lagune.

I laghi sono alimentati:

dalle precipitazioni dirette sulla loro superficie ;

dal ruscellamento sui versanti del bacino imbrifero ;

da falde ;

da corsi d’acqua immissari.

Mentre perdono acqua :

per evaporazione ;

per infiltrazione ;

per corsi d’acqua emissari.

Nel caso di lago aperto è presente una sezione di incile, coincidente con la sezione iniziale dell’emis-

sario.

5.1. Termica dei laghi – Stratificazione termica

La massa liquida contenuta in un lago è soggetta a scambi di calore sia con l’ambiente esterno,

attraverso la superficie, sia con il fondo.

Irraggiamento solare, precipitazioni atmosferiche, immissioni di acqua da affluenti superficiali e da

falde sotterranee, evaporazione, congelamento, fenomeni biologici e chimici legati alla flora e fauna

lacustre, sono fattori che influenzano la temperatura all’interno del lago, creando movimenti della

massa liquida prevalentemente sotto forma di moti convettivi.

Trascurando gli effetti delle correnti, non sempre possibile, il gradiente termico varia con la profon-

dità in funzione della densità. Poiché la massima densità dell’acqua è a 4°C, a seconda della varia-

zione della temperatura con la profondità potrà aversi la stratificazione termica diretta o inversa.

188

Stratificazione Termica Diretta : quando la temperatura della superficie del lago è superiore a 4°C

la temperatura dell’acqua diminuisce dall’alto verso il basso fino a raggiungere i 4° in profondità.

Aumentando ulteriormente la temperatura, tb, la densità decresce , non si hanno moti convettivi e

la variazione di temperatura si risente entro profondità ha limitate. Ad un abbassamento della tem-

peratura, tc, consegue un aumento di densità con conseguente moto convettivo, che interessa una

successione di strati fino alla profondità hd di pari temperatura tc. Ne consegue che alla profondità

hd si interrompe la stratificazione diretta con una discontinuità ed al disopra di tale quota si ha uno

strato omotermico (Figura 1)

Figura 1. Stratificazione termica diretta

Stratificazione Termica Inversa : la temperatura della superficie del lago è inferiore a 4°C e per-

tanto la temperatura dell’acqua cresce dall’alto verso il basso fino a raggiungere i 4° in profondità.

Una ulteriore diminuzione della temperatura non produce moti convettivi ,mentre ad un aumento

della temperatura consegue un aumento di densità, con conseguente rimescolamento degli strati fino

alla profondità hd .

Quando la temperatura scende sotto lo zero inizia il congelamento che interessa solo spessori su-

perficiali limitati, sia perché la temperatura aumenta con la profondità e sia perché il ghiaccio pro-

dotto esercita una funzione coibente (Figura 2).

Figura 2. Stratificazione termica inversa

Nei laghi temperati la stratificazione termica diretta avviene in estate; in autunno, diminuendo la

temperatura, gli strati superficiali raffreddandosi aumentano di densità e scendono verso il basso .

Questo processo, detto Rimescolamento autunnale, cessa quando l’acqua del lago raggiunge la tem-


peratura di 4° in tutta la profondità, consentendo un ricambio di ossigeno su tutta la massa. A pri-

mavera l’acqua, con temperatura in superficie inferiore a 4 °C, riscaldandosi aumenterà di densità e

scenderà verso il basso, dando vita al Rimescolamento primaverile.

Nei laghi tropicali, non scendendo mai la temperatura superficiale sotto i 4°, si ha solo stratificazione

diretta; al contrario i laghi polari hanno solo stratificazione inversa.

5.2. Evaporazione

Il fenomeno dell’evaporazione interviene nel ciclo idrologico dal momento in cui le precipitazioni rag-

giungono la superficie del suolo. Gli idrologi definiscono l’evaporazione l’insieme dei fenomeni che

trasformano l’acqua in vapore attraverso un processo specificatamente fisico: un liquido passa gra-

dualmente allo stato gassoso, senza ebollizione (Figura 3).

In relazione al suo ruolo essenziale nel ciclo dell’acqua c’è evaporazione:

dalla superficie libera degli specchi d’acqua

dalla neve e dal ghiaccio (sublimazione)

dal suolo privo di vegetazione

dalla traspirazione delle piante

Ciò avviene a tutte le temperature e termina quando lo spazio sopra la superficie libera raggiunge

la tensione di saturazione. In questo caso l’evaporazione è bilanciata dal fenomeno opposto: la

condensazione. Potendo rimuovere il vapore man mano che si forma, il liquido evapora più veloce-

mente; per questo motivo l’evaporazione dagli specchi liquidi è facilitata dal vento.

L’altezza di evaporazione, in un intervallo di tempo , è il rapporto tra volume evaporato ed area della

superficie evaporante, mentre, l’intensità media di evaporazione è il rapporto tra altezza di evapo-

razione ed il correlato intervallo di tempo .

Figura 3. Schema dell’Evaporazione terrestre

Studi sperimentali sull’evaporazione furono condotti in laboratorio, da Dalton; i relativi risultati de-

finirono la dipendenza dell’intensità di evaporazione con la differenza tra tensione di saturazione s

alla temperatura del liquido e la tensione effettiva del vapore contenuto nell’aria ed inversamente

proporzionale con la pressione atmosferica p

190

p

p1c

p

pcE n

ss

ns

(1)

c= 0,56 per acqua leggermente mossa

c= 0,70 con vento moderato

pn = pressione atmosferica normale

s

= umidità relativa Ur

La formula proposta da Dalton male si presta per la

determinazione dell’evaporazione da grandi super-

fici liquide, come appunto i laghi, pertanto sono pro-

posti due metodi, derivanti da misure, osservazioni

e determinazioni.

Figura 4. Evaporimetro

1. metodo idrologico: è basato sul bilancio tra gli afflussi al lago ed i corrispondenti deflussi e volumi

invasati. Data l’incertezza delle misure, dovuta anche alla difficoltà di valutazione di eventuali apporti

e deflussi sotterranei, il metodo non riesce a fornire, oltre l’andamento qualitativo, una sufficiente

certezza del dato ricercato.

2. misure dirette attraverso l’utilizzo di strumenti di misura per rilevare la quantità di evaporato:

Atmometri : sono costituiti da un bilancino tipo “pesa lettere” portante sul piatto una vaschetta

(di 250 cm2 di superficie e profonda 35 mm). La variazione del peso dà una misura dell’evaporato

affetta da due sensibili errori: l’esiguità del volume e lo scambio termico con la parete della vaschetta

.

Figura 5 . Atmometri

Vasche d’evaporazione : sono generalmente realizzate con contenitori metallici posti a terra, in

prossimità della riva o leggermente sopraelevati (15 cm), detti di Classe A secondo il tipo in uso

dall’Ufficio Meteorologico USA (Figure 6 e 7); La misura è condizionata dall’irraggiamento delle pareti.


Figura 6. Vasca d’evaporazione classe A – Weather Bureau USA

Figura 7 Stazione di misura

Per ridurre gli scambi termici con le pareti causati dall’irraggiamento è stato realizzato il modello

Colorado ( Figura 8). Una vaschetta quadrata di circa 1 m di lato viene interrata fino a sporgere

dal terreno circa una decina di cm; questa altezza però non è sufficiente per evitare che schizzi

prodotti dalle gocce di pioggia impattanti sul suolo, possano ricadere nella vaschetta portandosi

dietro detriti che possono, ovviamente, alterare la misura.

Figura 8. Vasca d’evaporazione tipo Colorado - USA

Per misure dirette dagli specchi liquidi dei laghi vengono utilizzate vasche evaporimetriche alloggiate

su zattere galleggianti (Figura 9) .

192

Figura 9

Pur avendo cura della posa in opera in condizioni simili alle acque del lago (giacitura, esposizione ai

venti ed irraggiamento solare), tutti gli evaporimetri sono affetti da errori di misura sistematici:

tipi a terra: le temperature sono leggermente superiori di quelle del lago, perdite di acqua cau-

sate da piogge violente; inserimento di detriti e foglie portati dal vento

tipi galleggianti: entrate e uscite d’acqua causate da onde, misure in eccesso derivanti dalla

maggiore superficie del vaso bagnata per oscillazione dello strumento.

Agli evaporimetri, volendo correlare le letture di altezze di evaporazione con le grandezze dei princi-

pali fattori che influenzano il fenomeno, vengono affiancati, generalmente, un pluviometro, un ter-

mografo, un anemometro ed uno psicrometro.

Le numerose serie di dati hanno consentito di esprimere formule derivate da quella di Dalton

1. Formula di Meyer : w0621,0115E s [mm Hg]

E = altezza di evaporazione media mensile espressa nelle stesse unità di misura di s ;

s = tensione di saturazione corrispondente alla temperatura media mensile dell’aria presso la

superficie del lago; [mmHg] ; = tensione reale media mensile [mmHg]

w = velocità del vento in prossimità del lago [km/ora]

2. Formula del Conti : più semplice della precedente, è basata sulla dipendenza della evaporazione

con la sola temperatura media mensile p

pCE n

sii

s = tensione di saturazione corrispondente alla temperatura media mensile dell’aria presso la

superficie del lago; [mm Hg]

pn = pressione atmosferica normale ; p = pressione locale media mensile

Ci = coefficienti mensili desunti da numerose osservazioni su laghi americani


Mese Ci Mese Ci Mese Ci

Gennaio 4,54 Maggio 9,93 Settembre 7,36

Febbraio 5,70 Giugno 8,86 Ottobre 6,95

Marzo 8,24 Luglio 8,20 Novembre 5,45

Aprile 9,50 Agosto 7,78 Dicembre 4,59

Il complesso delle osservazioni raccolte indicano una diminuzione dell’evaporazione in funzione, oltre

che dell’altitudine, anche della latitudine, essendo peraltro analogo il comportamento delle tempera-

ture. Negli Stati Uniti si passa da valori di circa 1250 mm/anno, a quote minime, ad altezze di circa

860 mm/anno a quota 2.500 m s.m. In Italia sono rilevabili valori compresi tra 800 1200 mm

/anno.

194

5.3. Opere di presa

Una tipologia ricorrente è riprodotta nella Figura 10. Una galleria, funzionante in pressione, ha lo

scopo di prelevare l’acqua da una bocca, o luce, presidiata da una griglia del tipo a sacco. L’intercet-

tazione e la regolazione della portata di derivazione è realizzata con paratoie piane, installate alla

base del pozzo e comandate, con dispositivi oleodinamici, nella cabina di manovra e di accesso.

Figura 10. Opere di derivazione da lago - Griglie e galleria di presa

Nel caso di diga a gravità l’opera di presa può

essere realizzata predisponendo le griglie sul pa-

ramento di monte e collocando la camera di ma-

novra all’interno del corpo della diga stessa (Fi-

gura 86).

Infine la galleria di derivazione è preceduta da

una torre di presa realizzata entro l'invaso, torre

dotata di bocche di presa dislocate a differente

altezza per consentire la derivazione di acqua da

differente quota, sia in funzione della quota di

invaso e sia dalle caratteristiche fisiche, chimi-

che, e batteriologiche presenti (Figure 11 e 12).

Figura 11. Diga a gravità


Figura 12

Figura 13. Opere di derivazione da lago artificiale con torre di presa

Parte terza Risorse idriche naturali -...

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