operedi presasorgenti pozzi
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Una carrellata di opere di presa e una introduzione ai pozzi. Cenni sulleTRANSCRIPT
Acquedotti
Riccardo Rigon, Roberto Magini et al.W
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825-
1905
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86)
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Modello concettuale di acquedotto
Captazione Adduzione Distribuzione
Trattamento/Produzione Regolazione
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Reti di distribuzione idrica
Al di sotto dei suoli, dal punto di vista idrologico: gli acquiferi
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
http://ga.water.usgs.gov/edu/earthgwaquifer.html
Al di sotto dei suoli: gli acquiferi
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Al
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: gli
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After de Marsily, 1986
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Al
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After de Marsily, 1986
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idricaA
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After de Marsily, 1986
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Riccardo Rigon
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RISORSE IDRICHE NATURALI
• libera superficiale o freatica: quando la falda scorre attraverso uno strato poroso non saturo sostenuto da uno strato impermeabile ;
• in pressione o falda artesiana: quando lo strato permeabile è contenuto tra due strati impermeabili e allo stesso tempo la zona permeabile è satura e soggetta a pressione tale che i livelli piezometrici siano al disopra della superficie di fondo della falda superiore.
SCHEMI DI FALDE LIBERE E ARTESIANE
• In funzione alla situazioni particolari del sottosuolo (ubicazione della strato impermeabile di sostegno della falda, sovrapposizioni di strati impermeabili a strati permeabili, affioramenti, ecc.) si possono avere una falda:
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RISORSE IDRICHE NATURALI : Schema di sorgenti.
• SORGENTI DI FONDO: Originate dall’affioramento dello strato impermeabile che costituisce la superficie di fondo. Possono essere:
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;
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RISORSE IDRICHE NATURALI : Schema di sorgenti.
• SORGENTI DI AFFIORAMENTO O EMERSIONE: 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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RISORSE IDRICHE NATURALI : Schema di sorgenti.
• SCHEMI DI SORGENTI DI DRENAGGIO: sono conseguenti all’esistenza, all’interno di un ammasso permeabile, di fessurazioni che costituiscono un sistema di circolazione dell’acqua di tipo vascolare. Sono tipiche di mezzi fratturati e nelle zone carsiche .
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RISORSE IDRICHE NATURALI : Schema di sorgenti.
• SORGENTI DI SFIORAMENTO: sono generate dall’affioramento di uno strato impermeabile sub-verticale, generalmente non di sostegno della falda
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RISORSE IDRICHE NATURALI : Schema di sorgenti.
• SORGENTI ARTESIANE: sono alimentate da falde in pressione in presenza di fratture dello strato impermeabile o di faglia con rigetto dello stato superficiale.
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RISORSE IDRICHE NATURALI
SCHEMI DI SORGENTI:
• Quando le acque di falda raggiungono la superficie del suolo danno luogo a scaturigini naturali dette sorgenti che, rispetto a situazioni topografiche e geologiche si possono classificare in:
• SORGENTI DI FONDO,
• SORGENTI DI AFFIORAMENTO O EMERSIONE,
• SORGENTI DI DRENAGGIO,
• SORGENTI DI SFIORAMENTO
• SORGENTI ARTESIANE:
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A) 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:
realizzare senza dispersioni la totale captazione della portata della sorgente,
conservare le qualità proprie chimiche e batteriologice delle acque,
conservare i loro caratteri organolettici favorevoli alla utilizzazione potabile
preservare le acque stesse da ogni contatto con l'ambiente esterno.
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A) OPERE DI PRESA DA SORGENTI: Alcune considerazioni.
• Le forme costruttive delle opere di presa dipendono dalla morfologia del terreno e dalla situazione geologica che determina lo sbocco in superficie.
• 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.
• 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.
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A) OPERE DI PRESA DA SORGENTI: Alcune considerazioni.
• Il punto di presa, quale sede in cui si manifesta lo sgorgo, deve essere raggiunto rimuovendo, con scavi a cielo aperto, le formazioni di ricoprimento ovvero traversandole con scavi in trincea o in galleria realizzando cunicoli murari.
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A) OPERE DI PRESA DA SORGENTI: Considerazioni.
• 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. Tra gli elementi indispensabile abbiamo:
SOGLIA MURARIA: fondata nelle strato impermeabile e spinta a profondità sufficiente per evitare sifonamento dell'opera;
EDIFICIO: posto dinnanzi alla soglia muraria contenente tutti i dispositivi occorrenti per la raccolta delle acque, sedimentazione, sfioro dei superi, intercettazione, misura, ecc.
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Reti di distribuzione idrica
Q ⇥ (A/l)(h2 � h1)
Jv =Q
A= K
(h2 � h1)l
(h2 � h1)l
=dh
dz
Jv = Kdh
dz
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Jv = Kdh
dz
K è detto conducibilità
idraulica
D’altra parte la pressione
alla base della colonna
èp = �wg(h� z)
Quindi: h = z +p
�wg
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Reti di distribuzione idrica
h = z +p
�wg
Si può osservare che
h è il carico idraulico
(l’energia per unità di
volume) di un volume
d’acqua posto ad
altezza z e sottoposto
alla pressione relativa p
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Studi successivi conducibilità idraulica a quello di Darcy hanno mostrato che la conducibilità idraulica ha, in suoli non omogenei un vettore con componenti lungo tre direzioni preferenziali
K̄ = (Kx� , Ky� , Kz�)
Ed è pertanto un tensore nella direzione di un sistema di assi coordinati arbitrari (x,y,z)
La conducibilità idraulica
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Riccardo Rigon
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B) OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: Pozzi scavati• L'estrazione dell'acqua dai pozzi praticabili comporta varie modalità di istallazione dei
relativi macchinari.
– Gruppi elettropompe posti su un solaio o in una nicchia realizzati nella canna del pozzo a conveniente altezza.
– Gruppi con pompa sommersa e motore in superficie, quest’ultimo possibilmente posizionato alla quota del piano di campagna.
– Gruppi elettropompe sommersi (ad oggi lasoluzione più comune)
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaDopo l’avvio della pompa si osserva un abbassamento
della falda.
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaTale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2� x h Jv
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaTale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2� x h Jv
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C i r con f e r enza alla distanza x dal pozzo
Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaTale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2� x h Jv
46
C i r con f e r enza alla distanza x dal pozzo
A l t e z z a d e l l a falda
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaTale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2� x h Jv
46
C i r con f e r enza alla distanza x dal pozzo
A l t e z z a d e l l a falda
Flusso laterale
Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaTale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2� x h Jv
Jv = K�h
�x
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaTale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2� x h Jv
Jv = K�h
�x
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conducibilità idraulica dell’acquifero
Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaTale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2� x h Jv
Jv = K�h
�x
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conducibilità idraulica dell’acquifero
Gradiente piezometrico
Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaTale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2� x h Jv
Jv = K�h
�x
ovvero q = 2� x K h⇥h
⇥x
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaSeparando le variabili risulta:
qdx
x= 2�K h dh
Ed integrando:
q logR
r0= � K (h� h0)2
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda freaticaDa cui si ottiene:
h = h0 +�
q
�Klog
R
r0
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che approssima la posizione della falda al variare della distanza R
Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda artesiana
Tale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2⇥ x K e⇤�
⇤x
Thiem solution
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda artesiana
Tale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2⇥ x K e⇤�
⇤x
Thiem solution
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Spessore dell’acquifero
Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda artesiana
Tale abbassamento si può determinare a partire dalla legge di Darcy. Se q è la portata fluente verso il pozzo a
distanza x, essa è data da
q = 2⇥ x K e⇤�
⇤x
Thiem solution
52
Spessore dell’acquifero
Gradiente piezometrico
Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda artesiana
Separando le variabili si ottiene
qdx
x= 2⇥ e d�
Da cui integrando:
q
� R
r
dx
x= 2⇥ e
� h2
h1
d�
Thiem solution
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda artesiana
Da cui
q logR
r= 2� T (h2 � h1)
T := K e
T è detta “trasmissività dell’acquifero e:
h2 = h1 +q
2� Tlog
R
r
Thiem solution
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda artesiana
Si osservi che l’equazione precedente non può essere valida per ogni R, poichè
limR�>⇤
h2 = limR⇥⇤
h1 +q
2� Tlog
R
r� ⇥
Thiem solution
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzi
Si è dunque i grado di determinare l’abbassamento della falda, assegnate le
condizioni di pompaggio.
Tuttavia questo risulta noto se è nota la conducibilità idraulica media
dell’acquifero o la sua trasmissività (a seconda dei casi).
Thiem solution
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzi
Per altro invertendo la formule precedenti ed in base a sole misure di livello si
sarebbe in grado di dare una prima stima approssimata della trasmissività (nel
caso dell’acquifero confinato)
T ⇥q log R
r
2� (h2 � h1)
O della conducibilità nel caso dell’acquifero freatico
K ⇥q log R
r
� (h2 � h1)2
Thiem solution
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzi
Naturalmente le formule precedenti possono essere usate anche per altri scopi,
per esempio,
T ⇥q log R
r
2� (h2 � h1)
O della conducibilità nel caso dell’acquifero freatico
K ⇥q log R
r
� (h2 � h1)2
Thiem solution
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzi
O ancora, valutare la possibilità di emungimento in funzione della depressione del pozzo,
R. R
oss
o, 2
00
2
Thiem solution
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Pozzi
In realtà la situazione è più complessa di quella descritta dalle equazioni stazionarie, ed è, per esempio rappresentata in nella figura sottostante.
R. R
oss
o, 2
00
2
Thiem solution
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Prove di pompaggio
In genere per ottenere informazioni sulle caratteristiche dell’acquifero è necessario attuare delle prove di pompaggio
Le prove di pompaggio, emungimento o come spesso si dice di portata,
consistono nella sollecitazione delle acque di una falda tramite estrazione da
un pozzo o pompaggio controllato. Ciò al fine di determinare i parametri
idrodinamici della falda e di giungere all’ottimizzazione delle caratteristiche
tecniche dell’opera di presa.
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Prove di PompaggioIl tipo di prove (e di obiettivi che le prove di pompaggio si possono porre) dipendono
dal tipo di falda. Per esempio, le linee guida redatte allo scopo dalla provincia di
Bolzano, riportano le seguenti categorie di prove.
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Prove di Pompaggio
E le seguenti metodologie:
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Prove di Pompaggio Theis (1935)
Come esempio illustriamo brevemente la procedura di Theis. Questa parte dalla scrittura dell’equazione del moto per un acquifero omogeneo isotropo e infinito, con trasmissività e storatività (o coefficiente di immagazzinamento) costante, rispettivamente T, ed S.
S
T
�h
�t=
�2h
�r2+
�h
�r
1r
La storatività è definita come
S :=1A
dVw
dh
ovvero variazione di volume d’acqua rilasciato per unità di area dell’acquifero in seguito ad un aumento unitario del carico piezometrico
R. R
oss
o, 2
00
2
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Nell’ipotesi di Theis (rielaborata da Jacob) considera che le dimensioni del
cono di depressione, in funzione del tempo di pompaggio, non cessino mai
di aumentare, non realizzandosi pertanto le condizioni di equilibrio
(regime transitorio o di non equilibrio).
In effetti si è verificato sperimentalmente che salvo che in condizioni in
natura difficilmente presenti, il regime permanente non si realizza. Tuttavia
va anche detto che dopo tempi molto lunghi in pratica il cono di
depressione varia impercettibilmente (regime quasi permanente).
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Prove di Pompaggio Theis (1935)
Nelle ipotesi precedentemente illustrate, l’equazione (**) ha soluzione
Theis, Charles V. (1935). "The relation between the lowering of the piezometric surface and the rate and duration of discharge of a well using ground-water storage". Transactions, American Geophysical Union 16: 519–524.
see
also
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iki/
Aq
uif
er_t
est
�(t) := h0 � h(t) =Q
4⇥ TW (u)
Dove la funzione W è conosciuta come “funzione di pozzo” nella letteratura
idrogeologica, “exponential integral” nella letteratura matematica o funzione
Gamma incompleta G(0,u) in altri ambiti.
u :=r2 S
4 T t
W (u) :=� ⇥
u
e�u
udu
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Prove di Pompaggio Theis (1935)
Aft
er R
on
chet
ti, u
nim
ore
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Prove di Pompaggio Theis (1935)
Per eseguire una prova di pompaggio, è necessario che il pozzo sia equipaggiato
con una pompa sommersa di adeguata potenza, con un misuratore di portata
a registrazione continua, uno o più misuratori di livello in pozzo (freatimetro),
uno o più cronometri, e con un sistema di scarico che faccia in modo che le
acque emunte siano correttamente allontanate dal punto di prelievo per evitare
rialimentazioni della falda dalla superficie i breve tempo.
Una prova in genere consiste nell’effettuare sessioni di pompaggio
successive di durata diversa e prefissata e nella ricostruzione per punti della
curva di Theis, dalla quale, sotto le opportune ipotesi si ricavano stime di S e
T.
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Riccardo Rigon
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Reti di distribuzione idrica
Prove di Pompaggio Theis (1935)
La frequenza delle misure dei livelli è ravvicinata all’inizio, per poi
progressivamente rallentare. Le prove possono essere di breve o lunga
durata, le prime generalmente a più scalini durano da 1 a 3 ore per ognuno
di essi, attendendo per ogni gradino a portata crescente lo stabilizzarsi del
livello, le seconde durano da almeno 24 ore a più giorni.
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Riccardo Rigon
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OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: -Pozzi trivellati.
• La realizzazione dei pozzi comuni è oggigiorno limitata a particolari situazioni (ad es. lo schema a raggiera).
• Sono sempre più diffusioni i pozzi tubolari realizzati con trivellazione.
• I diametri comunemente impiegati vanno da ∅300÷350 mm per arrivare fino a diametri ∅ > 600 mm.
• I pozzi tubolari vengono realizzati con un:
SISTEMA A PERCUSSIONE,
SISTEMA A ROTAZIONE
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B) OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: Pozzi trivellati.• SISTEMA A ROTAZIONE: la perforazione viene effettuata con un carotiere fornito, in
punta, di una corona dentata costituita da punte metalliche ad alta resistenza, generalmente al Vanadio.
• Sistema indicato per terreni rocciosi, consente di raggiungere profondità elevate, 200÷300 m.
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• METODO DIRETTO:
La miscela lubrificante viene pompata, attraverso le aste di perforazione, fino alla testa rotante;
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.
La spinta idrostatica della colonna di fango e la coesione sostiene la parete dello scavo fino all’introduzione della tubazione di rivestimento (camicia del pozzo).
Il metodo è maggiormente utilizzato per pozzi di diametro ∅ <600 mm;
OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: Pozzi trivellati.
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• METODO INVERSO:
La circolazione del fango al imenta direttamente lo spazio anulare.
Il fango con i detriti viene aspirato, con una pompa, attraverso le aste di perforazione.
Le velocità ascensionali all’interno delle aste possono raggiungere valori di circa 1 m/s sufficiente per trasportare detriti anche grossolani, rendendo il sistema adatto anche al caso di diametri maggiori.
OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: Pozzi trivellati.
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Schema di POZZO A RAGGIERA.
Vengono infissi un certo numero di tubazioni metalliche orizzontali, a parete forata, disposti a raggiera e addentrantesi per qualche decina di metri nella formazione acquifera.
Le acque fluenti al pozzo centrale, che diviene camera di raccolta, vengono sollevate con macchine sommerse.
L'opera di presa interessa una grande estensione della falda, col vantaggio, a parità di portata emunta, di piccole velocità ed abbassamenti più limitati dei livelli.
B) OPERE DI EMUNGIMENTO DA FALDE: Pozzi scavati.
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Reti di distribuzione idrica
Pozzo in falda artesiana
Solo per ricordare che l’ingegnere deve saper utiizzare le tecnologie consone ai luoghi.
www.missionemadagascar.org 90
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Reti di distribuzione idrica
www.missionemadagascar.org 91
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Reti di distribuzione idrica
www.missionemadagascar.org 92
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