LA REGOLAZIONE DEI SERBATOI DI COMPENSO DEGLI ACQUEDOTTI

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PREMESSA

Il funzionamento idraulico di molti complessi acquedottistici viene tenuto sotto controllo dalle sofisticate procedure degli impianti di telecontrollo e telecomando che, tenuto conto di tutte le condizioni reali e di quelle di previsione, ne ottimizzano tutte le funzioni, ivi compresa la regolazione dei serbatoi di compenso che forma, in particolare, l'oggetto della presente memoria. Molto spesso, invece, la regolazione dei serbatoi ha luogo semplicemente mediante valvole di efflusso a galleggiante o altro equivalente dispositivo idraulico di asservimento delle portate entranti nel serbatoio con il livello dell'acqua in esso contenuta. In pratica il dispositivo determina la chiusura totale del flusso in entrata quando il serbatoio è giunto al massimo livello mentre, in fase di svuotamento, quando il livello oltrepassa via via le quote di riferimento fissate in rapida successione appena sotto alla quota di sfioro ha luogo la progressiva apertura della valvola di immissione e, in fase di riempimento la sua chiusura per gradi. Tali modalità di regolazione sono ritenute ottimali in quanto vengono rispettate le condizioni principali che sono quelle di evitare lo sfioro quando il serbatoio è pieno e di aumentare o diminuire il flusso in entrata non appena il livello varia di pochi centimetri in meno o in più rispetto al massimo livello. Si ottiene inoltre il vantaggio di forzare i serbatoi verso il massimo livello possibile e quindi in grado di fronteggiare eventuali emergenze. Si deve però rilevare come in tali condizioni il serbatoio esplichi la sua funzione di compensazione delle portate soltanto nei giorni di massimo consumo mentre in tutti gli altri (che tra l'altro sono i più frequenti) esso rimane sempre pieno o quasi pieno per cui, al vantaggio di una disponibilità massima di acqua di riserva, si contrappone la necessità di seguire, con la produzione, le richieste di rete e quindi con portata nulla durante la notte e massima durante le ore diurne. Teoricamente sarebbe possibile porre rimedio a tale inconveniente diminuendo la produzione fino a riportarla costantemente alla portata media giornaliera di previsione, in pratica però si preferisce lasciare che essa segua automaticamente le richieste a tutto vantaggio della sicurezza di alimentazione ma scapito dell'economia di gestione. L'inconveniente è accentuato nel caso di acquedotti con alimentazioni diversificate sia come tipo di captazione che come costi di produzione dell'acqua, come sarà avanti descritto.
Nel presente lavoro si indicano modalità di regolazione della portata da immettere nei serbatoi di compenso diverse da quella usuale ed atte a dare tutte le garanzie di funzionamento in uno con l'economia di esercizio.

IL FUNZIONAMENTO USUALE DEI SERBATOI DI COMPENSO

Immaginiamo di esaminare un acquedotto nel giorno di massimo consumo con portata media pari a 900 l/s che sia alimentato da n. 9 pozzi da 100 l/s ciascuno dei quali munito di pompa sommersa comandata da proprio galleggiante installato all'interno del serbatoio a livello diversificato rispetto a quello degli altri pozzi. Durante detta giornata tutte 9 le pompe rimarranno in moto per tutte le 24 ore nel mentre il serbatoio, utilizzando il volume d'acqua immagazzinato durante la notte, consentirà di far fronte alla punta di consumo diurna che arriva fino ad un massimo di 1350 l/s. In una giornata in cui la portata media consumata sia invece pari a 600 l/s si verificherà che durante le ore diurne i 9 pozzi entreranno via via tutti in funzione essendo da soli in grado di far fronte alle portate richieste dall'utenza il cui valore massimo nell'ora di punta ammonta appunto a 900 l/s nel mentre il serbatoio rimarrà sempre pieno. Durante la notte al diminuire della portata i pozzi si fermeranno tutti. In pratica il prelievo di falda segue in tutto e per tutto le variazione di portata dell'utenza e quindi, a fronte del vantaggio di avere un serbatoio sempre al massimo livello e pertanto pronto a rifornire la rete in un qualunque caso di disservizio, si ottiene una utilizzazione nulla o quasi nulla della falda nel periodo notturno quando la stessa, essendo meno sfruttata, presenterebbe le migliori condizioni di producibilità.
L'inconveniente acquista maggior rilevanza nel caso di un acquedotto alimentato da fonti aventi costi di produzione dell'acqua diversificati.
Ad esempio se la portata totale di 900 l/s fosse ottenuta per 600 l/s da sorgenti funzionanti a gravità che, in considerazione dei bassi costi di produzione, potrebbe essere priva di regolazione e quindi entrare in serbatoio con flusso continuo e costante e solo i restanti 300 l/s di integrazione fossero dovuti a tre pozzi con pompa sommersa, nel giorno di consumo medio prima esaminato pur essendo la portata media prodotta a gravità (600 l/s) in grado da sola di far fronte al fabbisogno si avrebbe invece una produzione diurna di 900 l/s mentre di notte i 600 l/s a gravità sarebbero costretti a sfiorare.
Dagli esempi riportati emerge chiaramente come il funzionamento del serbatoio non possa considerarsi ottimale: lo sarebbe soltanto nel caso fosse in grado di effettuare la compensazione in tutte le giornate sia di grandi che di piccoli consumi consentendo alla produzione di mantenere una portata costante 24 ore su 24.

LA REGOLAZIONE PROPOSTA

Il grafico di fig. 1 rappresenta l'andamento giornaliero dei prelievi dell'utenza in un giorno di massimo consumo avente portata media di 900 l/s e portata di punta alle ore 9 pari a 1350 l/s. Nel caso di funzionamento ideale con produzione costante per tutte le 24 ore ed esattamente corrispondente alla portata media giornaliera cioè 900 l/s, l'intervento di un serbatoio atto ad effettuare la totale compensazione delle portate dovrebbe avere un volume utile di circa 11200 mc ed effettuare l'escursione di livello anch'essa rappresentata nel grafico.
Immaginiamo ora di avere un dispositivo automatico che imponga al serbatoio di effettuare tale escursione in tutte le giornate dell'anno ivi comprese quelle di massimo e di minimo consumo (v. fig.2 e 3). Il dispositivo, in altri termini, rilevato istante per istante il livello reale dell'acqua in serbatoio, apre o chiude la valvola di immissione in modo da assicurare che il livello segua la curva giornaliera indicata e ciò indipendentemente dalla portata prelevata per essere immessa in rete. Altra pregiudiziale del dispositivo supponiamo sia quella di intercettare, nei casi in cui il livello effettivo è superiore a quello rappresentato dalla curva, l'immissione di portata essendo chiaramente inutile immettere acqua quando l'invaso presente è di per sé superiore a quello auspicato.
Con tali pregiudiziali durante la giornata di massimo consumo la portata da produrre è costante e pari a 900 l/s essendo questa l'ipotesi di base dalla quale si è derivata la curva dei livelli imposti nelle 24 ore. Se si esamina invece una giornata nella quale il consumo corrisponde alla media annua e cioè pari a 600 l/s di media giornaliera con una punta di 900 l/s si vede come, avendo imposto al serbatoio di riempirsi e svuotarsi secondo le regole citate, la produzione deve modulare la sua portata in modo completamente diverso da quello esaminato al capitolo precedente per la medesima giornata e cioè secondo il grafico di produzione indicato nella fig. 4. In pratica avendo imposto di utilizzare l'intero volume utile del serbatoio, volume che nei giorni di bassi consumi eccede quello minimo necessario per la compensazione delle portate, si ottiene il vantaggio di ridurre la produzione giornaliera a favore di quella notturna e necessaria per il riempimento del serbatoio.
Esaminiamo ora il funzionamento nel giorno di consumo medio nei due casi prima citati.
- Primo caso: l'acquedotto è alimentato da 9 pozzi da 100 l/s cadauno . Si avrà di giorno una portata prodotta variabile da 450 a 550 l/s e di notte da 600 a 750 l/s. Si ottiene il vantaggio di una produzione maggiore di notte quando la falda di attingimento dei pozzi è più alta ed i costi dell'energia elettrica più bassi. In ogni caso i 9 pozzi non sono mai in funzione tutti contemporaneamente con conseguente notevole beneficio per la falda di attingimento (si paragoni questo caso con quello del capitolo precedente)
- Secondo caso: l'acquedotto può contare su una produzione costante a gravità di 600 l/s che entra in serbatoio senza alcuna regolazione (v.fig.6). Di giorno la portata a gravità è superiore di quella necessaria (450-550 l/s) pertanto il serbatoio si svuoterà meno di quanto imposto e ciò consentirà durante la notte di effettuarne il riempimento con la sola portata a gravità. In definitiva con la soluzione proposta non sarà necessario mettere in moto le pompe dei pozzi integrativi. Evidente il vantaggio economico e ambientale: la sola portata della sorgente a gravità è sufficiente a coprire il fabbisogno, non viene sostenuta alcuna spesa per energia di sollevamento, la falda nei quali attingono i tre pozzi rimane indisturbata.
Esaminiamo ora una giornata con consumi ridotti al minimo e cioè pari a soli 400 l/s di portata media (v. fig.5).
Si avrà di notte una produzione di circa 600 l/s e di giorno variabile da 160 a 300 l/s. Risulta chiaramente che, nel caso prima esaminato di acquedotto con una portata di 600 l/s a gravità non è necessaria la messa
in moto delle pompe dei pozzi mentre l'esubero di portata prodotta a gravità andrà a sfiorare..
Si può inoltre notare come, al diminuire delle richieste dell'utenza, corrisponda una portata media notturna che si mantiene su valori elevati mentre quella che diminuisce sensibilmente è la portata da produrre durante le ore diurne. I risultati rappresentati nel grafico di fig . 7 possono essere così sintetizzati:

Si può concludere affermando che, grazie alla descritta regolazione dei serbatoi di compenso "a curva giornaliera imposta", nel mentre nelle giornate di consumo elevato il serbatoio può esplicare in pieno la sua azione immagazzinando di notte i maggiori volumi d'acqua necessari per coprire la punta giornaliera, in tutti gli altre giornate, la totale utilizzazione del volume d'invaso consente un aumento della portata notturna prodotta tanto più elevato percentualmente quanto minore è il volume totale consumato nelle 24 ore cui corrisponde una provvidenziale diminuzione durante le ore diurne. Tale caratteristica presenta il vantaggio del minor costo che in generale si riscontra nella produzione notturna di quel prezioso e sempre più raro elemento che è l'acqua, ed inoltre diventa particolarmente utile nei grandi complessi acquedottistici comprendenti utenze molto diversificate. Ad ed esempio in presenza di reti di adduzione molto estese che servono, tra l'altro, piccoli o medi abitati sprovvisti di proprio serbatoio di compenso, centri abitati dotati di compensazione di tipo tradizionale e quindi con serbatoi mantenuti costantemente e per misura prudenziale, al massimo livello o reti che alimentano utenti allacciati direttamente alle condotte di adduzione, in tutti questi casi le richieste d'acqua sono caratterizzate, nelle 24 ore, da notevolissime escursioni cui è difficile far fronte sia con la produzione che con l'adduzione. Ebbene in tali casi la presenza di uno o più serbatoi di notevole capacità ed funzionante secondo le modalità auspicate contribuisce, con la sua azione calmieratrice, a regolarizzare il funzionamento dell'intera rete anche se, o addirittura, preferibilmente se ubicato nella estrema periferia della rete.
Per completare la disamina del funzionamento della soluzione proposta si fa presente come sia sempre possibile modificare lo sfruttamento del serbatoio stagione per stagione scegliendo diverse curve preimpostate di riempimento/svuotamento del serbatoio. Si potrà in tal modo imporre allo stesso uno svuotamento minore durante le stagioni invernali di bassi consumi mentre sarà massimo durante i periodi di grandi consumi dell'utenza.

CONCLUSIONI

Si sono descritte le modalità in uso per regolare l'alimentazione e l'utilizzazione dell'invaso dei serbatoi di compenso e alcune diverse possibilità di regolazione con sfruttamento ottimale dei volumi d'acqua immagazzinabili e delle fonti che li alimentano. La differenza fra le due metodologie può essere così riassunta:
· Modalità correnti: serbatoi sempre al massimo livello possibile onde poter affrontare, grazie ai notevoli volumi accumulati, qualunque emergenza. Nei giorni di bassi consumi i serbatoi sono quindi sempre pieni e la produzione, per seguire le richieste dell'utenza, è quasi nulla durante la notte ed elevata durante le ore diurne.
· Modalità razionali: Tutto l'invaso disponibile viene sfruttato in ogni condizione d'esercizio al fine di diminuire le spese di produzione e di distribuzione d'acqua. Nei giorni di bassi consumi l'utilizzazione dell'esuberante volume d'acqua invasato durante la notte consente di diminuire la produzione giornaliera a favore di quella notturna meno cara. Ciò si rivela particolarmente interessante nel caso di acquedotti con alimentazione mista in cui si evita lo sfioro notturno garantendo la integrale utilizzazione dei volumi d'acqua di minor costo prodotti nelle 24 ore ed inoltre nei grandi complessi acquedottistici che alimentano centri urbani a consumo diversificato e disseminati su vasti territori.

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