Acquedotti e Irrigazione

• Progetto Esecutivo dell’impianto di irrigazione a pioggia nel territorio di Vamporazze, tra i Comuni di Sandrigo e Bressanvido (VI) (2021, Consorzio di Bonifica Brenta (PD)).
• Modello matematico della rete di distribuzione idrica del Comune di Pellestrina nell’ambito del sistema acquedottistico della società Veritas (2008, Veritas Spa (VE)).
• Modello matematico acquedotto Peschiera del Garda (VR) (2006, Consorzio AGS (VR)).
• Progetto generale relativo al ripristino acquedotto del Mirese ACM (2006, ACM (VE)).
• Modello idraulico della rete acquedottistica di Chiampo (VI) finalizzato alla ricerca delle perdite in rete (2002, Consorzio Acque del Chiampo (VI)).
• Modello idraulico della rete acquedottistica di Ghisalba (BG) finalizzato alla ricerca delle perdite in rete (2001, Consorzio Bacino del Serio (BG)).
• Progettazione ottimale minimizzando i costi di realizzazione della rete acquedottistica di Spello (PG) (1999, ENEL-HYDRO).
• Valutazione dei fenomeni di moto vario per la rete di adduzione dell’impianto di irrigazione in zona collinare nei comuni di Marostica e Pianezze (1999, Consorzio Pedemontano Brenta (PD)).

HydNet è un insieme di quattro pacchetti applicativi che abbraccia tutti gli aspetti coinvolti nello studio delle reti in pressione, dall’analisi della situazione attuale per la ricerca delle perdite, alla ricerca della soluzione di minimo costo per la relativa progettazione, alla gestione ottimale degli organi del telecontrollo. In particolare HydroNet è stato sviluppato per l’analisi delle reti in condizioni di moto permanente e la ricerca delle perdite, WatWork per lo studio delle reti in condizioni di moto vario, SuperNet per la progettazione e il riadeguamento ottimale delle reti, WatMan per la gestione ottimale degli organi telecontrollati.

Si tratta in ogni caso di strumenti potenti, di semplice utilizzo, estremamente utili per gli ingegneri civili e idraulici, tecnici e gestori di Enti del Settore Acque.

Figura 1   Serbatoio di Rio San Martino dell’Acquedotto ACM del Mirese (VE) nel GIS del modello HydNet

HydNet, sviluppato in ambiente MicroStation, costituisce un vero e proprio sistema GIS, nell’ambito del quale i modelli matematici si integrano in modo del tutto naturale. Per l’utilizzo dei modelli è infatti sufficiente “disegnare” sullo schermo la rete idrica e gli impianti da analizzare utilizzando i comandi del Menù del Preprocessore, attribuire le caratteristiche degli elementi scegliendo da un ricco data base gestito dal Preprocessore stesso, elaborare i dati e calcolare la rete con un semplice “click” per mezzo del Postprocessore.

Figura 2   Rappresentazione nel GIS del modello HydNet delle tubazioni in Via San Benedetto a Noale (VE)

Per la predisposizione delle caratteristiche fisiche delle reti e per la visualizzazione dei risultati ottenuti con i modelli sono stati sviluppati due diversi pacchetti applicativi operanti nell’ambiente di MicroStation, il preprocessore PreNet e il postprocessore PostNet. Con questi strumenti è possibile rappresentare, con il medesimo grado di dettaglio e in scala unitaria, sia le caratteristiche della rete principale sia quelle degli impianti.

Figura 3   Bilancio idrico ottenuto dai risultati del modello HydNet dell’Acquedotto ACM del Mirese (VE)

HydroNet, il modello di analisi delle reti idriche in pressione, permette di studiare e confrontare diversi scenari di funzionamento del sistema idrico reale, valutando le eventuali carenze della rete con particolare riferimento alla ricerca delle perdite.

Figura 4   Simulazione della gestione reale con telecontrollo operata dal modello WatMan del giorno 3 Giugno 2005 nel serbatoio di Campagna Lupia dell’acquedotto del Mirese (VE)

WatWork, il modello di analisi delle reti idriche in pressione in moto vario, permette di valutare i risultati provocati dalle manovre effettuate con i diversi organi di controllo inseriti negli impianti.

SuperNet, il modello di ottimizzazione delle reti idriche in pressione, è uno strumento di grande interesse in quanto permette di determinare la soluzione di minimo costo in corrispondenza a diverse condizioni di funzionamento della rete, minimizzando contemporaneamente sia i costi energetici per la gestione del sistema idraulico che quelli di costruzione iniziale per la realizzazione della rete.

SuperNet, il modello di ottimizzazione delle reti idriche in pressione, è uno strumento di grande interesse in quanto permette di determinare la soluzione di minimo costo in corrispondenza a diverse condizioni di funzionamento della rete, minimizzando contemporaneamente sia i costi energetici per la gestione del sistema idraulico che quelli di costruzione iniziale per la realizzazione della rete.

Figura 5   Piano delle manovre della valvola a fuso di Vasca 2 dell’acquedotto della Valle Cavallina (BG) nella gestione ottimale eseguita dal modello WatMan.

Figura 6   Gestione ottimale eseguita dal modello WatMan di Vasca 1, Vasca 2 e Vasca 4 dell’acquedotto della Valle Cavallina (BG). Andamento dei livelli nelle tre vasche.

In questa sezione sono presentati due diversi casi studio, il problema dei tunnel della rete di New York (NYTP) e quello della rete di Hanoi (HP). In entrambi i casi, per valutare obiettivamente le potenzialità offerte da questo strumento di calcolo, sono riportati i confronti tra le soluzioni ottenute dal modello proposto e quelle pubblicate nella letteratura specifica disponibile.

Caso Studio 1: la rete di New York

La rete idrica della città di New York è costituita da una rete di gallerie di grande dimensione, operanti a gravità in pressione (Figura 7). Nel 1969 questo sistema dovette essere adeguato alle mutate dimensioni dell’area metropolitana, cresciuta enormemente dal tempo dell’iniziale costruzione. Come parte di questo lavoro, una particolare considerazione fu assegnata alla costruzione di gallerie parallele a quelle esistenti. Il progetto reale, realizzato da Schaake and Lay [10], ricercò la soluzione relativa a un dimensionamento ottimale, tale cioè da soddisfare i vincoli di consumo e di carico piezometrico in condizioni di minimo costo di realizzazione.

Sin dal 1969 rete idrica della città di New York è stata oggetto di una lunga serie di studi per determinare la sua configurazione ottimale, risultando così immediato operare un confronto diretto, nelle medesime condizioni di applicazione, fra i risultati ottenuti con il modello proposto e quelli pubblicati dai più autorevoli esperti del settore.

Per effettuare il confronto con i risultati ottenuti dagli altri ricercatori sono stati utilizzati i dati originali della rete idrica di New York, riportati integralmente in un articolo pubblicato da Quindry [9]. La rete consiste in 21 tubazioni, da raddoppiare ove necessario, corrispondenti a 20 nodi, le quali nell’insieme formano 2 diverse maglie.

Figura 7       Schema della rete idrica di New York.

Il sistema è rifornito a gravità da un singolo serbatoio ed è imposta una sola condizione di carico. Per ogni tubazione è possibile la scelta tra 16 differenti diametri, riportati nella Tabella 1. Per il calcolo della rete è stato utilizzato un coefficiente di scabrezza pari a 100 nella formula di Hazen-Williams, lo stesso valore pubblicato da Quindry nell’articolo citato e utilizzato da tutti gli altri ricercatori.

Nella Tabella 2 è mostrato il confronto fra i carichi calcolati dal modello SuperNet ed i carichi di vincolo imposti, mentre la Tabella 3 riporta i risultati dell’ottimizzazione relativi al dimensionamento dei diversi tronchi della rete con il modello SuperNet.

Nella Tabella 4 è riportato, infine, il confronto tra le soluzioni ottenute dai diversi ricercatori, utilizzando dati omogenei sia per quanto riguarda i costi unitari delle condotte sia per quanto concerne le dimensioni della rete.

E’ importante notare che altri autori (Savic & Walters [11]; Lippai et al. [7]; Wu et al. [12]; etc.) hanno proposto soluzioni più economiche che si sono dimostrate poi non ammissibili. Il modello proposto si colloca molto vicino alle migliori soluzioni finora ottenute ma, a differenza dei modelli genetici classici, la soluzione è stata ricavata con uno sforzo computazionale molto ridotto, risultando in ogni caso ammissibile.

In particolare, si può osservare nella Tabella 3 che il risultato ottenuto con il modello SuperNet è molto simile a quello riportato in letteratura da Dandy [3] con l’utilizzo di un metodo di tipo genetico GA, quando la suddivisione dei singoli tronchi in due altri di diverso diametro è impedita.

Infatti, nel modello proposto la soluzione iniziale, ricavata con un algoritmo genetico GA di tipo auto-adattivo, costituisce solamente il punto di partenza per un algoritmo euristico LPF che esegue la parte finale del processo di ottimizzazione.

Tabella 1 Tubazioni utilizzabili e relativi costi nel caso del problema di riadeguamento della rete di New York NYTP

Tabella 2     Confronto tra i valori di pressione calcolati e quelli imposti come condizione di vincolo nel caso del problema di riadeguamento della rete di New York NYTP. I valori sono gli stessi di quelli utilizzati dagli altri ricercatori

Tabella 3     Soluzione determinata con il modello di ottimizzazione SuperNet per il problema dell’espansione della rete idrica della città di New York. Il costo complessivo ammonta a 38.664 [M$]. In (*) sono riportati anche i valori dei diametri in [in] ottenuti dall’applicazione del metodo genetico da parte di Dandy (1996). Si può osservare allora che il risultato ottenuto con il modello SuperNet è praticamente uguale a quest’ultimo se la suddivisione dei singoli tronchi in due altri di diverso diametro è impedita

Tabella 4     Confronto della soluzione ottenuta con il modello proposto per il problema dell’espansione della rete idrica della città di New York con quella ricavata in alcuni studi precedenti, utilizzando dati omogenei sia per quanto riguarda i costi unitari delle condotte sia per quanto concerne le dimensioni della rete. La soluzione del modello proposto non è in questo caso la migliore ma si colloca molto vicino alla migliore soluzione finora ottenuta

Caso Studio 2: la rete di Hanoi

Il problema della rete idrica della città di Hanoi (Fujiware & Khang) è stato anch’esso considerato da numerosi autori (Savic & Walters [11]; Cunha & Sousa [2]; Wu et al. [12]; etc.). A differenza della rete di New York NYTP, si tratta di una rete di nuovo progetto e non ci sono tubazioni esistenti nel sistema. La rete, rappresentata nella Figura 8, consiste in 34 tubazioni corrispondenti a 32 nodi, le quali nell’insieme formano 3 diverse maglie. Il sistema è rifornito a gravità da un singolo serbatoio ed è imposta una sola condizione di carico relativa ad una pressione di 30 [m] su tutti i nodi della rete. Per ogni tubazione è possibile la scelta tra 6 differenti diametri, riportati nella Tabella 5.

Figura 8       Rappresentazione schematica della rete idrica di Hanoi con relativa numerazione di nodi e di elementi

Per il calcolo della rete è stato utilizzato un coefficiente di scabrezza  pari a 130 nella formula di Hazen-Williams, lo stesso valore pubblicato e utilizzato da tutti gli altri ricercatori.

Nella Tabella 6 è mostrato il confronto fra i carichi calcolati dal modello SuperNet ed i carichi di vincolo imposti, mentre la Tabella 7 riporta i risultati dell’ottimizzazione relativi al dimensionamento dei diversi tronchi della rete con il modello SuperNet.

Nella Tabella 8 è riportato, infine, il confronto tra le soluzioni ottenute dai diversi ricercatori, utilizzando dati omogenei sia per quanto riguarda i costi unitari delle condotte sia per quanto concerne le dimensioni della rete. è importante notare che, come nel caso precedente NYTP, altri autori (Savic & Walters, 1997; Lippai et al., 1999; Wu et al.; Geem et al. [5]) hanno proposto soluzioni più economiche che si sono dimostrate poi non ammissibili.

In questo caso il modello proposto fornisce la migliore soluzione ammissibile finora ottenuta e, a differenza dei modelli genetici classici, la soluzione, che risulta in ogni caso ammissibile, è stata ricavata con uno sforzo computazionale molto ridotto.

Tabella 5     Tubazioni utilizzabili e relativi costi nel caso del problema della progettazione della nuova rete di Hanoi HP

 

Tabella 6     Confronto tra i valori di pressione calcolati e quelli imposti come condizione di vincolo nel caso della progettazione della nuova rete di Hanoi HP. I valori sono gli stessi di quelli utilizzati dagli altri ricercatori

Tabella 7     Soluzione determinata con il modello di ottimizzazione SuperNet per il problema della progettazione della nuova rete di Hanoi HP. Il costo complessivo ammonta a 6.065 [M$].

Tabella 8     Confronto della soluzione ottenuta con il modello proposto per il problema della progettazione della nuova rete di Hanoi HP con quella ricavata in alcuni studi precedenti, utilizzando dati omogenei sia per quanto riguarda i costi unitari delle condotte sia per quanto concerne le dimensioni della rete. Le soluzioni contrassegnate (*)si sono dimostrate poi non ammissibili.

Conclusioni
Il modello SuperNet è stato confrontato con gli altri algoritmi proposti in letteratura in due casi studio, relativi il primo al rifacimento della rete di New York e il secondo al nuovo progetto della rete di Hanoi. In entrambi i casi i risultati del modello dimostrano le eccezionali qualità dello strumento che, a differenza dei modelli puramente genetici GA, è comunque in grado di fornire una soluzione di minimo costo comunque ammissibile con un tempo di calcolo notevolmente ridotto.

Bibliografia

 

[1]   Alperovits, E. & Shamir, U., “Design of optimal water distribution systems”, Water Resour. Res., 13(6), 885-900, (1977).

[2]   Cunha, M. C. and Sousa, J., “Water Distribution System Design Optimization: Simulated Annealing Approach”, Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 125, No. 4,215-221, (1999).

[3]   Dandy, G. C., Simpson, A. R. & Murphy, L. J., “An improved genetic algorithm for pipe network optimization”, Water Resources Research, Vol. 32, No. 2, 449-458, (1996).

[4]   Fujiwara, O. & Khang, D. B., “A Two-Phase Decomposition Method for Optimal Design of Looped Water Distribution Networks”, Water Resources Research, Vol. 26, No. 4, 539-549, (1990).

[5]   Geem, Z. W., Kim, J. H. & Loganathan, G. V., “A new heuristic optimization algorithm: Harmony Search”, Simulation, 76, 2, 60—68, (2001).

[6]   Gessler, J., “Optimization of pipe networks”, Proc., International Symposium on Urban Hydrology, Hydraulics and Sediment Control, University of Kentucky, Lexington, Kentucky, 165-171, (1982).

[7]   Lippai, I, Heaney, J. P. & Laguna M., “Robust Water System Design with Commercial Intelligent Search Optimizers”. J. of Computing in Civil Engrg, ASCE, Vol. 13, No.3,135-143, (1999).

[8]   Morgan, D. R. & Goulter, I. C., “Optimal Urban Water Distribution Design”, Water Resorc. Res. 21(5), 642-652, (1985).

[9]   Quindry, G. E., Brill, E.D., & Liebman, J.C., “Optimization of looped water distribution systems”, J. Environmental Engineering Division, ASCE, 107(EE4), 665-679, (1981).

[10]   Schaake, J. C, & Lai, D., “Linear programming and dynamic programming application of water distribution network design“. Rep. 116, Hydrodyn. Lab., Dep. of Civ. .Eng., MIT. Press, Cambridge, Mass., (1969).

[11]   Savic, D. A. & Walters, G. A., “Genetic Algorithms for the Robust, Least-cost Design of Water Distribution Networks”, J. Water Resour. Ping. and Mgnmt., ASCE, 123(2), 67-77, (1997).

[12]   Wu, Z. Y. & Simpson, A. R., “A self-adaptive boundary search genetic algorithm and its application to water distribution systems”, Research Report, No. 140, J. of Hydraulic Research, Vol. 40 (2),191-203, (2002).

 

 

 

 

 

Figura 9   Impianto pluvirriguo nella zona di Vamporazze, tra i Comuni di Sandrigo e Bressanvido (VI).

 

Premessa

In collaborazione con il Consorzio di Bonifica Brenta, la società CREA S.r.l. ha sviluppato la progettazione esecutiva di un impianto di irrigazione a pioggia (Figura 9), comprendente un’area pari a 780 [ha] in zona pedemontana nei comuni di Sandrigo e di Bressanvido (VI). Poiché i sistemi di irrigazione a scorrimento finora adottati hanno condotto ad un non razionale utilizzo della risorsa idrica con conseguente notevole depauperamento delle falde acquifere locali, lo stesso progetto si propone in un’ottica di miglioramento di efficienza nell’utilizzo della risorsa idrica disponibile.

Per il progetto dell’opera si è cercato di utilizzare tutti gli strumenti di calcolo tecnologicamente più evoluti attualmente disponibili sul mercato. Più precisamente, per il dimensionamento della rete in pressione è stato utilizzato il modello matematico Supernet, realizzato dal personale di ricerca della società CREA, in grado di minimizzare i costi complessivi legati sia al riadeguamento di una rete in pressione, sia alla realizzazione, “ex novo”, di tutta o di una parte della rete stessa, sia al consumo energetico necessario per la gestione dell’impianto durante tutto il periodo di esercizio, ottemperando a determinati vincoli di funzionamento (pressione minima e massima nei punti di consegna della portata) e tenendo conto, contemporaneamente, di molteplici condizioni critiche di funzionamento del sistema.

Caratteristiche dell’esercizio irriguo

L’approvvigionamento idrico ha origine da un sistema di derivazione ed adduzione con acqua fluente e portata costante. Come diretta conseguenza l’esercizio è vincolato ad una distribuzione turnata continua di 24 [h] su 24. In base alle esigenze colturali e alle caratteristiche podologiche dei terreni il turno è stato fissato in 10.25 [d].

In relazione al regime fondiario predominante, caratterizzato dalla piccola e media proprietà, è stato deciso di suddividere le aree irrigabili in comizi con superficie di circa 10 [ha] ciascuno. La suddivisione in comizi è riportata in Figura 10.

Figura 10 Suddivisione in comizi irrigui dell’area interessata dal progetto.

Sistema di irrigazione adottato

In questo caso è stato adottato, per motivi economici e funzionali, un sistema di irrigazione di tipo semifisso, caratterizzato dal fatto di presentare una rete idraulica fissa sul territorio mentre la parte terminale è costituita da tubazioni mobili (rotoloni), in materiale plastico, svolti sul terreno e collegati agli idranti poderali.

Nella parte terminale i rotoloni sono dotati di un boccaglio erogante la portata necessaria all’irrigazione, con un raggio di aspersione variabile in funzione della pressione sul boccaglio. Successivamente, appena compiuto l’adacquamento, sono scollegati e trasportati su un altro podere. Le lunghezze di tali tubazioni sono variabili a seconda della tipologia delle aree da irrigare.

Ottimizzazione idraulica della rete

La distribuzione avverrà, a partire da una rete adduttrice principale, attraverso un reticolo aperto di tubazioni di ordine inferiore. Per il calcolo delle portate si è fatto riferimento all’utilizzo di irrigatori a pioggia mobili, ognuno dei quali eroga una portata da calibrare in base alla dimensione dei singoli comizi attraverso un irrigatore, in rotazione sul settore stesso.

La rete adduttrice si divide in adduttori primari e adduttori secondari. Gli adduttori primari collegano la centrale di pompaggio con gli adduttori secondari che, attraversando le proprietà lungo le capezzagne o i fossi, danno la possibilità agli utenti di collegare, tramite idranti sporgenti in superficie (Figura 11), i propri impianti d’irrigazione.

Figura 11 Dettaglio degli idranti di irrigazione ai quali verranno collegati gli impianti degli utenti.

Determinazione degli scenari di funzionamento della rete

Il modello di calcolo della rete irrigua SuperNet, oltre alla minimizzazione dei costi complessivi della rete, permette di determinare una soluzione ottimale della rete in grado di ottemperare contemporaneamente le condizioni di vincolo relative a diversi scenari di funzionamento. Tale caratteristica è stata utilizzata nel caso in questione quando una condotta secondaria era devoluta al servizio di più comizi o quando un singolo comizio era servito da più di una condotta secondaria. Come risulta facilmente comprensibile, la contemporanea osservanza di più scenari per una stessa rete sarebbe diventata, utilizzando strumenti di calcolo tradizionali, estremamente complicata.

Tenendo conto di queste particolari condizioni di adacquamento dei singoli comizi, sono stati infatti determinati 5 diversi scenari di funzionamento della rete, contemporaneamente ottimizzati dal modello matematico.

Per quanto riguarda le condizioni di vincolo, è stato imposto un carico minimo di 54.43[m] in corrispondenza di ogni punto di distribuzione, tale da garantire il corretto funzionamento degli irrigatori.

Dettagli costruttivi della rete

La rete distributrice sotterranea interessa una superficie di 810 ettari ed è formata da tubi in P.R.F.V. (vetroresina) e P.V.C. classe PN 10, ampiamente sufficiente per resistere alle pressioni di esercizio. Si prevede inoltre l’utilizzo di tubazioni in acciaio per gli attraversamenti stradali ed in sub alveo, dove si rende necessaria una resistenza meccanica maggiore (Figura 12).

Figura 12 Particolare degli attraversamenti stradali eseguito con tubazioni in acciaio.

Per effettuare il dimensionamento dei diametri è stata prevista una modalità di irrigazione turnata all’interno di ciascun comizio, sulla base delle portate calcolate in relazione ad una dotazione specifica media di 0.56 [l/(s ha)] e tenendo conto dei valori imposti alle perdite idrauliche nelle stesse tubazioni per garantire un carico piezometrico minimo di 4.0 [atm] agli irrigatori posti nei punti più sfavorevoli.

Lo schema della rete è a pettine, con le condotte adduttrici primarie aventi diametri decrescenti a partire da quello iniziale Ø 700 [mm], corrispondente ad una portata iniziale di 595 [l/s], fino a quello di Ø 110 [mm] in corrispondenza delle appendici terminali della rete.

In particolare, l’intera rete di irrigazione si presenta suddivisa in due linee principali: la prima linea, costituita dalla tubazione denominata ramo A, presenta un diametro variabile da Ø 700 [mm] a Ø 110 [mm] e serve la zona ovest di Vamporazze, altimetricamente più elevata, con una portata di 272 [l/s]; la seconda linea, costituita dalla tubazione denominata ramo D, presenta invece un diametro variabile da Ø 600 [mm] a Ø 110 [mm] e serve la zona est di Vamporazze, altimetricamente meno elevata, con una portata di 323 [l/s].

La rete è completata da saracinesche, idranti con limitatori di portata a 5.6 [l/s], pozzetti in calcestruzzo di protezione degli idranti, saracinesche, pezzi speciali in acciaio di raccordo, sfiati automatici, scarichi di fondo e tubi in acciaio per attraversamenti stradali e canali.

In Figura 13 si osserva il posizionamento degli idranti di irrigazione nell’area collocata a Nord-Ovest dell’impianto.

Figura 13 Posizionamento idranti di irrigazione nell’area collocata a Nord-Ovest.

In questo caso studio è presentata la progettazione della dorsale occidentale dell’acquedotto del Mirese ACM (VE) con l’utilizzo del modello di gestione e di simulazione WatMan, associato al telecontrollo esistente, per instaurare condizioni di pressione d’esercizio sufficienti nella zona interessata. Si può osservare la costruzione del ‘modello fisico’ dell’intera rete ACM, confermata dal riscontro tra i dati sperimentali rilevati dal telecontrollo e quelli ottenuti dalle simulazioni con il modello.

Progettazione della dorsale occidentale della rete del Mirese

L’applicazione corretta della modellistica matematica ad un complesso sistema quale quello rappresentato dalla rete acquedottistica del Mirese (al servizio di un’area metropolitano di 280.000 abitanti) coinvolge una serie di problemi di difficile soluzione, gli stessi che costituiscono poi, alla fine, i veri motivi degli insuccessi subiti nell’utilizzo di tali strumenti informatici.

Consci della difficoltà del lavoro, nell’attività svolta dai tecnici della CREA nessun aspetto è stato trascurato per raggiungere tutti gli obiettivi previsti, relativi sia alla progettazione ottimale delle opere necessarie per risolvere i problemi idraulici del Mirese sia allo sviluppo di un modello fisico (più che matematico) della rete.

Il problema si presenta estremamente complesso perché altrettanto complicata risulta essere la struttura intrinseca della rete ACM che, fortemente interconnessa, presenta uno sviluppo complessivo di circa 1894 [km] (Figura 14).

Figura 14 Schema dell’acquedotto del Mirese ACM. La rete, al servizio di 280.000 abitanti, è stata schematizzata con l’inserimento di oltre 18000 condotte e 20 impianti (serbatoi, stazioni di sollevamento, ecc.)

Il risultato ottenuto alla fine di questo lavoro è stato almeno duplice. Da una parte sono state, infatti, determinate le caratteristiche degli elementi idraulici della rete acquedottistica e/o delle eventuali vasche d’accumulo corrispondenti ad un valore minimo del costo complessivo di realizzazione delle opere, in grado di garantire, nel contempo, sia la regolare distribuzione delle portate con le pressioni previste in fase progettuale sia la corretta gestione degli accumuli nel giorno di massimo consumo e, di conseguenza, in tutte le situazioni possibili. D’altro lato la stessa attività ha permesso l’allestimento di un modello matematico della rete aggiornato a tutto il 2005, in grado di simulare quasi esattamente il sistema fisico reale e di restituire una mappa aggiornata delle perdite presenti nella rete.

In pratica l’attività in oggetto è stata schematicamente divisa nel modo seguente:

2005. Aggiornamento e taratura del modello matematico della rete nella situazione relativa all’anno 2005.
2006. Analisi della situazione attuale per individuare i tratti carenti dell’acquedotto esistente e le motivazioni alla base di tali deficienze.
2007. Individuazione di una serie d’ipotesi progettuali in grado di risolvere il problema della carenza di pressione nelle diverse zone del sistema acquedottistico.

Costruzione del ‘modello fisico’ della rete del Mirese ACM

La prima parte del lavoro è consistita nel ricostruire la rete del Mirese 2005 a partire dagli schemi aggiornati della rete dei singoli comuni, in formato Dxf, forniti dal Consorzio ACM oltre ad utilizzare, a completamento, le tavolette dei progetti esecutivi in relazione ad alcuni singoli interventi già effettuati ma non ancora riportati sui file Dxf delle reti comunali.

La seconda fase del lavoro ha riguardato l’adeguamento della struttura topologica e delle banche dati relative alle caratteristiche idrauliche degli impianti. Gli impianti costituiscono, infatti, i centri nevralgici attraverso i quali l’Ente gestore controlla direttamente il funzionamento del sistema idraulico complessivo.

Non solo sono stati controllati e aggiornati gli schemi idraulici di tutti gli impianti ma sono state anche introdotte, tra l’altro, le informazioni relative a tutti gli organi di controllo, pompe e valvole motorizzate in particolare, le caratteristiche d’invaso dei serbatoi, le quote assolute degli impianti, ecc..

La gestione della rete nel tempo avviene attraverso una serie di comandi operazionali forniti a pompe e valvole motorizzate, interfacciate con il Centro di Controllo Operazionale dell’Ente attraverso la presenza di un opportuno sistema SCADA. Il preprocessore PreNet ai modelli matematici permette di assegnare agevolmente il funzionamento degli organi di controllo in funzione dei comportamenti regolati da piani di manovra fissati, perfettamente uguali a quelli reali, o in funzione dei valori di pressione e/o di livello misurati nella rete e negli impianti.

La distribuzione dei consumi contabilizzati BAC (Billed Authorized Consumption), ,  e , è stata realizzata sulla base dei dati presenti presso il Servizio Amministrativo e Commerciale del Mirese.

Essendo i valori delle perdite NRW (36.7 %) paragonabili a quelle dei consumi effettivi contabilizzati, i tecnici CREA si sono accorti che, volendo realizzare un modello della rete affidabile, non si poteva trascurare una corretta modellazione delle stesse. Basata sulle più recenti risultanze sperimentali presenti in letteratura (IWA International Water Association), è stata sviluppata prima una teoria e poi una procedura di calcolo, effettivamente realizzata ed introdotta nel modello, per distribuire le perdite partendo dai dati di pressione calcolati nella rete in funzione anche del tipo di materiale delle condotte. Vale la pena sottolineare che questa innovativa teoria, non esistendo al moment alcun altro modello che la preveda, costituisce una peculiarità di tutto il sistema realizzato.

Calibrazione del modello della rete del Mirese ACM

Il sistema informativo GIS della rete si è presentato, finalmente, pronto ad affrontare la prova dei modelli matematici per verificare la correttezza dei risultati delle simulazioni in confronto ai dati sperimentali, rilevati dallo stesso sistema SCADA.

Il processo di calibrazione è stato realizzato utilizzando il modello di gestione WatMan, in grado di riprodurre il funzionamento della rete del Mirese in condizioni di moto gradualmente vario eseguendo le manovre imposte dal telecontrollo agli organi telecontrollati, pompe e valvole.

La calibrazione del modello è stata effettuata in riferimento ad un giorno particolarmente gravoso per le condizioni di funzionamento della rete, il 24/06/2005.

In relazione a tale giornata, come d’altra parte in ogni giorno dell’anno 2005, erano disponibili i dati provenienti dal telecontrollo relativi a flussi, a livelli e a pressioni, misurati negli impianti della rete.

Seguendo la “Teoria delle perdite” (Garzon, 2006), il programma sviluppato dal settore ricerca CREA, partendo dai valori in continuo della portata immessa nell’impianto di produzione di Rio San Martino, dal valore delle portate in ingresso e in uscita misurate in diversi impianti della rete, dal valore dei livelli nei serbatoi e da quelli della pressione rilevata in un punto specifico della rete a Santa Maria di Sala, determina automaticamente la variazione temporale dei consumi per ogni componente specifica.

Nella Figura 12 sono mostrati gli andamenti temporali delle tabelle dei coefficienti unitari, associate ai vincoli nodali del modello, per ottenere le reali variazioni dei flussi spazio-temporali nei diversi punti d’erogazione.

Figura 15 Andamenti temporali delle tabelle dei coefficienti unitari, associate alle componenti BAC e NRW dei vincoli nodali del modello, per ottenere le reali variazioni dei flussi spazio-temporali nei diversi punti d’erogazione..

Il processo di calibrazione del modello WatMan è iniziato controllando lo schema dei singoli impianti e i parametri del telecontrollo imposti alle pompe e alle valvole motorizzate.

Sono state controllate le quote assolute degli impianti, delle vasche a terra e dei pensili, sulla base anche delle pressioni registrate dai sensori del sistema SCADA e delle quote presenti nella cartografia di riferimento.

Per simulare lo svuotamento dei serbatoi in qualche particolare periodo della giornata (circostanza presente in molti casi del sistema fisico reale), sono state introdotte opportune valvole telecontrollate sulle tubazioni in uscita dai serbatoi in grado di effettuare una chiusura automatica nel caso in cui la profondità degli stoccaggi fosse risultata nulla (vasche vuote).

La chiusura delle vasche è stata simulata analogamente a quanto avviene nel sistema fisico reale, in cui le valvole a galleggiante chiudono progressivamente il flusso d’ingresso dei serbatoi in funzione del livello dell’acqua presente nelle vasche, fino alla chiusura completa al momento del raggiungimento del livello massimo.

Nei casi in cui erano presenti valvole parzialmente chiuse dagli operatori del Mirese si è cercato di riprodurre nel modello le stesse condizioni di funzionamento, modificando opportunamente i coefficienti di perdita. I coefficienti di perdita per le valvole completamente aperte sono stati ricavati direttamente dalle prove sperimentali, in funzione della relativa tipologia. Quando tali valori non erano reperibili, i coefficienti di perdita sono stati ricavati direttamente dalla letteratura del settore (es. IDEL’CIK).

Una volta controllati gli schemi degli impianti, il processo di calibrazione del modello WatMan è continuato verificando lo schema della rete.

Con il prezioso aiuto degli esperti del Mirese, sono state controllate nuovamente le connessioni della rete e i diametri e i materiali delle condotte.

Lentamente, a questo punto, sono cominciate ad apparire le prime rassomiglianze dei risultati del modello con i dati sperimentali dello SCADA. A mano a mano venivano corretti gli errori nelle interconnessioni e, contemporaneamente, venivano chiuse alcune valvole della rete perché realmente chiuse nel caso reale, i risultati si avvicinavano sempre più alla realtà sperimentale. In questo delicato passaggio del processo di calibrazione è stato fondamentale, tra l’altro, disporre dei risultati del modello per comprendere i punti precisi della rete in cui intervenire per rilevare gli eventuali errori nella schematizzazione.

Quando è apparso evidente che la schematizzazione della rete non conteneva altri errori, o, almeno, inesattezze di una certa rilevanza, un ultimo passo nel processo di calibrazione del modello è consistito nel ricercare i valori di scabrezza più indicati in relazione ai materiali e ai diametri delle condotte. A questo proposito è stata fatta un’accurata ricerca in letteratura per colmare quest’ultima lacuna. I valori delle scabrezze introdotte per le condotte nel modello corrispondono esattamente, nella formula di Coolebrook-White, a quelli medi indicati dalle più estese sperimentazioni effettuate dagli istituti di ricerca più qualificati in funzione dei diversi materiali.

Confronto dei risultati del modello con i dati sperimentali SCADA

Normalmente per eseguire la calibrazione sono utilizzati degli strumenti matematici (ottimizzazione ai minimi quadrati ‘least squarè, algoritmi genetici GA ‘Genethic Algorithm’, metodi ‘Monte Carlo’, ecc.) per distribuire le perdite (leakage) e determinare le scabrezze (roughness) delle condotte e i relativi diametri.

Nel caso del Mirese la distribuzione delle perdite è stata fatta su base scientifica e quella delle scabrezze su base sperimentale (coefficienti di scabrezza standard). Il controllo della rete e degli impianti sulla base dell’esperienza di persone esperte. A questo punto i risultati della fatica sono arrivati da soli, a mano a mano e’ stata sistemata la configurazione della rete, degli impianti e del telecontrollo, dimostrando di aver raggiunto quasi il ‘modello fisico’ della rete del Mirese piuttosto che il modello matematico della stessa.

L’ultima attività, in realtà molto importante, è stata quella di affinare i risultati ottenuti dal modello WatMan mediante la ricalibrazione finale delle perdite NRW nelle diverse componenti rispetto alla procedura di calcolo automatica descritta precedentemente. Infatti, tenendo conto della variazione dei livelli misurata nei serbatoi della rete e le relative leggere differenze ancora mostrate dal modello rispetto ai dati reali, la distribuzione delle componenti NRW è stata, quindi, localmente modificata (circa 8 [%] del totale NRW). Le mappe della plausibile distribuzione delle stesse perdite, ricavate al termine di questa attività, sono state fornite, assieme al modello, all’Ente Gestore, perché provveda alle riparazioni delle condotte ove necessario.

Il risultato del lavoro di calibrazione del modello è mostrato nelle Figura 16–Figura 19, in cui sono presentate le variazioni dei livelli in alcuni serbatoi della rete telecontrollati rapportati a quelli effettivamente misurati.

Figura 16 Vasca a terra di Scaltenigo (Vol. 10000 [m3]). Confronto tra i dati sperimentali del sistema SCADA rilevati dal PLC locale e i risultati del modello il giorno 24/06/2005. Il serbatoio di Scaltenigo si trova nel centro nevralgico di tutto il sistema acquedottistico del Mirese ed è regolato da due diversi bypass all’ingresso. È possibile osservare l’ottima corrispondenza tra i valori sperimentali e quelli forniti dal modello di gestione WatMan.

Figura 17 Pensile di Fiesso d’Artico (Vol. 1438 [m3]). Confronto tra i dati sperimentali del sistema SCADA rilevati dal PLC locale e i risultati del modello il giorno 24/06/2005. Il serbatoio di Fiesso d’Artico si trova nella parte piu’ meridionale della dorsale occidentale del sistema acquedottistico del Mirese. È possibile osservare la sorprendente corrispondenza tra i valori sperimentali e quelli forniti dal modello di gestione WatMan.

Figura 18 Pensile di Prozzolo (Vol. 345 [m3]). Confronto tra i dati sperimentali del sistema SCADA rilevati dal PLC locale e i risultati del modello il giorno 24/06/2005. Il serbatoio di Prozzolo si trova nella parte meridionale del sistema acquedottistico del Mirese, lungo la dorsale orientale che porta al serbatoio di Bojon. È possibile osservare l’ottima corrispondenza tra i valori sperimentali e quelli forniti dal modello di gestione WatMan.

Figura 19 Pensile di Spinea (Vol. 3000 [m3]). Confronto tra i dati sperimentali del sistema SCADA rilevati dal PLC locale e i risultati del modello il giorno 24/06/2005. Il pensile di Spinea si trova lungo la dorsale orientale del sistema acquedottistico del Mirese. L’alimentazione del serbatoio pensile avviene senza l’ausilio di pompaggi, per un aumento naturale della pressione nella rete È possibile osservare l’ottima corrispondenza tra i valori sperimentali e quelli forniti dal modello di gestione WatMan.

Sistemazione idraulica della rete ACM

Una volta calibrato, il modello di gestione WatMan è stato utilizzato per determinare 3 diverse soluzioni progettuali in grado di risolvere il problema della mancanza di pressione sulla dorsale occidentale dell’acquedotto ACM.

Il problema della zona in questione è veramente complesso. Dalla centrale di produzione di Scorzè a Rio San Martino si diparte la condotta occidentale in CA avente un diametro DN 500. La condotta principale d’adduzione, costituente la dorsale occidentale nello schema acquedottistico del Mirese, in località Capitelmozzo, a Nord di Noale, diventa dapprima un DN 450 per poi diventare, a Sud di Noale, un DN 400.

Il diametro DN 450, e più ancora il DN 400, della condotta, in particolare, appaiono nettamente insufficienti a convogliare la portata di oltre 220 [l/s] fluenti lungo la dorsale occidentale. La consistente portata è richiesta, a valle, da centri abitati di una certa rilevanza quali S. Maria di Sala e, più a valle ancora, Fiesso d’Artico e Strà.

Le soluzioni progettuali individuate e, quindi, indagate sono state le seguenti:

1. potenziamento della condotta occidentale, raddoppiando la linea stessa nel tratto compreso tra Noale e Mellaredo, costruendo una nuova condotta, parallela a quella esistente, della lunghezza complessiva pari a 10460 [m], di cui 7500 [m] con una condotta DN 400 e i rimanenti con un’altra DN 350 (5.000.000 Є);
2. costruzione di una vasca a terra nei pressi di Veternigo, munita di un opportuno impianto di sollevamento in linea (1.500.000 Є);
3. costruzione di un booster in linea nei pressi di Veternigo, nella medesima posizione in cui è stata prevista la costruzione della vasca a terra della soluzione precedente (125.000 Є).

Oltre alle soluzioni sopra prospettate, con funzione di sostegno della pressione nella zona di Mellaredo, è stato previsto l’inserimento di una valvola di regolazione (PRV) con controllo della pressione a monte nei pressi di Via Cavinelli, a Pianiga.

Le tre soluzioni sono state dimensionate opportunamente per risolvere, in ogni caso, il problema della pressione della condotta Occidentale.

In particolare è stata determinata una soluzione, la Soluzione 3 (corrispondente ad un booster in linea nella zona di Veternigo e ad una valvola PRV per la regolazione della pressione a monte nella zona di Pianiga), in grado di ottimizzare il progetto, risparmiando, nel confronto con tutte le altre, letteralmente milioni di euro al Committente per la realizzazione dell’opera e per il suo mantenimento. Non essendo necessario portare il valore della pressione al livello del terreno, come nel caso 2 della vasca a terra, le condizioni di pressione nelle condotte poste a monte del booster in linea sono considerevolmente maggiori. Lo stesso impianto di sollevamento sarà inoltre munito di un bypass per evitare l’utilizzo del sollevamento quando questo non fosse effettivamente richiesto (eventualmente nei mesi invernali, quando il consumo idrico è ridotto).