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irrigazione:progetto_di_un_impianto_di_irrigazione

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Progetto degli impianti di irrigazione

Introduzione

Il problema di progetto di un impianto di irrigazione, ossia del dimensionamento idraulico degli impianti irrigui, deve essere finalizzato ad ottenere una soddisfacente uniformità di erogazione (EU>90%) dei diversi apparecchi erogatori e quindi ottenere l'uniformità della distribuzione irrigua a tutte le piante, in quanto distribuzioni non uniformi possono determinare sia aree scarsamente irrigate e quindi produzioni non ottimali, sia aree eccessivamente irrigate nelle quali l’eccedenza idrica può causare problemi di asfissia radicale ovvero di dilavamento di concimi presenti nel terreno, ciò può essere reso possibile mantenendo entro limiti prefissati e comunque di modesta entità, le variazioni di portata erogata dai gocciolatori.

Per la progettazione di un impianto irriguo aziendale da una parte è necessario conoscere i volumi idrici da fornire nel corso di ciascun adacquamento e dall’altra disporre di una adeguata cartografia di base che evidenzi con dettaglio l’altimetria delle superfici da irrigare. La valutazione dei volumi dei singoli adacquamenti, come pure dei turni irrigui, può essere condotta attraverso l’applicazione di modelli di bilancio idrico dell’acqua sul terreno che consentono di stimare gli effettivi consumi evapotraspirativi delle colture che devono essere applicati con l’irrigazione. Noti che siano i volumi da fornire nel caso di ciascun adacquamento, scelta la tipologia di impianto (aspersione, microirrigazione) e il modello di apparecchi erogatori da utilizzare, occorre procedere al tracciamento e al successivo dimensionamento idraulico della rete, che non può prescindere dalla conoscenza dell'andamento plano-altimetrico del terreno.

Inpianti irrigui collettivi

Gli impianti irrigui collettivi sono un complesso di manufatti e apparecchiature (opera di presa, adduttore, distributrici, partitori, dispensatori, idranti di consegna, ecc.) che permettono all’impresa irrigua che li gestisce (ente pubblico o privato) di consegnare l’acqua a singoli utenti. Il complesso dei terreni serviti da una stessa rete di distribuzione viene chiamato comprensorio irriguo (Fig. 1).

L’irrigazione collettiva viene attuata attraverso un sistema irriguo realizzabile secondo una rete canalizzata o una rete tubata. La rete canalizzata è costituita da una serie di canali (in terra, calcestruzzo, ecc.) che, attraverso un’opera di presa, prelevano l’acqua da una fonte di approvvigionamento idrica e la consegnano alle aziende mediante un pezzo a T detto di arresto e derivazione. La derivazione a pelo libero è strettamente legata alla morfologia del terreno e, pertanto, risulta spesso di difficile realizzazione, poiché appare complicata la scelta di un tracciato ottimale del canale, sia in relazione ai vincoli geologici che agli obiettivi di natura idraulica.
Figura 1: Schema di una rete irrigua collettiva

In passato si preferiva realizzare reti canalizzate a causa delle difficoltà connesse con la posa in opera delle tubazioni: lo scavo delle sezioni di posa delle condotte tubate, infatti, costituiva un notevole aggravio economico nella realizzazione della rete. Il progetto di una rete canalizzata comporta la scelta del tracciato, che dipende dalla morfologia dei terreni da attraversare, la scelta della forma della sezione trasversale nonché la conoscenza della portata da convogliare.

La rete tubata è invece costituita da condotte in pressione realizzate con materiali (PVC, acciaio, ghisa, ecc.) che collegano la fonte di approvvigionamento idrica, con l’elemento di consegna, rappresentato da un idrante (tronco di tubazione che fuoriesce dal terreno nel quale è installato l’elemento di consegna). Se la distribuzione a livello aziendale avviene con metodi irrigui ad espansione superficiale (per sommersione, per infiltrazione da solchi) non è necessario che l'acqua sia distribuita con una notevole pressione poiché, nell'irrigazione aziendale, il movimento dell’acqua è dettato dall'andamento naturale del terreno (dalla pendenza del campo). Se, invece, a livello aziendale si pratica il metodo irriguo per aspersione è necessario che l'acqua sia distribuita con una pressione compresa tra 2 e 5 atm, mentre per le reti microirrigue occorrono pressioni di 1-2 atm in relazione al tipo di apparecchi erogatori utilizzati. Laddove si utilizzano macchine per l’irrigazione, è necessario disporre di pressioni di esercizio ancora più elevate (7-8 atm) che permettono il funzionamento delle macchine.

Le reti tubate non presentano limiti relativi alla pendenza dei versanti e hanno il vantaggio di poter essere interrate; dunque, vengono meno le limitazioni delle reti canalizzate riguardanti, ad esempio, l’attraversamento di strade che, nelle reti canalizzate è effettuato con l’uso di sifoni o di canali posti ad una determinata altezza rispetto al piano stradale. Nella progettazione degli impianti irrigui collettivi in pressione occorre garantire agli idranti la consegna di un’assegnata portata (modulo) a una determinata pressione. Nota che sia la posizione altimetrica della fonte di approvvigionamento idrico, stabilite le portate che transitano nella rete e il diametro delle tubazioni, il calcolo delle effettive pressioni agli idranti di consegna non può prescindere dalle conoscenze dell’altimetria del terreno, che permettono di valutare, in corrispondenza di ciascun idrante, la posizione altimetrica dello stesso.

Progetto di un'ala gocciolante

In un'ala erogatrice, le portate che defluiscono nei diversi tronchetti di tubazione, possono essere determinate se è nota la distribuzione delle pressioni in condotta e quindi se è possibile, per ciascun gocciolatore conoscere l’effettiva portata erogata, nota che sia la curva caratteristica di erogazione.

Per potere risolvere accuratamente il problema di progetto, risulta allora necessario da un lato conoscere la relazione funzionale q(h) del gocciolatore utilizzato e la sua variabilità e dall’altro disporre di accurate procedure di stima delle perdite di carico in condotta.

Pertanto, fissata la pressione di funzionamento in corrispondenza dell’ultimo erogatore, dalla curva caratteristica di erogazione si può dedurre la portata erogata dall’ultimo apparecchio disposto lungo l’ala, che coincide ovviamente con quella che defluisce nel tronco di condotta compreso tra l’ultimo erogatore ed il precedente. Noto tale valore di portata si possono calcolare le perdite di carico complessive che si determinano nel tronco di condotta considerato e quindi la pressione in corrispondenza dell’erogatore immediatamente precedente; procedendo da valle verso monte è dunque possibile risalire alla distribuzione delle pressioni lungo tutta l’ala erogatrice.

Le perdite di carico nelle ali erogatrici

Lungo un’ala erogatrice si verificano sia perdite di carico continue nei tronchi di condotta compresi tra gocciolatori successivi, che perdite di carico localizzate in corrispondenza degli innesti dei gocciolatori, due importanti aspetti devono essere quindi considerati: il tipo di legge di resistenza da assumere per la valutazione delle perdite continue e l’influenza delle perdite di carico localizzate causate dalla presenza degli erogatori lungo l’ala.

Le suddette perdite, sebbene singolarmente modeste, in relazione all’elevato numero di erogatori disposti lungo l’ala, possono complessivamente assumere un peso rilevante rispetto alle perdite continue [Bertolacci et Al, 1982], [Howell, Barinas, 1980], [Howell, Hiler, 1974], [Karmeli, Keller, 1975] e devono pertanto essere tenute in conto in un calcolo idraulico corretto.

Pressioni e portate erogate in un'ala gocciolante

La determinazione della distribuzione delle pressioni lungo l’ala erogatrice e quindi delle portate erogate dai gocciolatori disposti lungo l’ala, può essere effettuata attraverso una procedura di calcolo, che permette di valutare, per l’ala erogatrice, l’entità delle perdite di carico al variare sia delle dimensioni del gocciolatore rispetto a quelle della condotta, che dell’interdistanza tra gli stessi. Tale procedura attraverso i seguenti dati di input:

  1. grandezze geometriche relative all’ala erogatrice (diametro interno, lunghezza, interdistanza tra i gocciolatori);
  2. geometria dell’erogatore (diametro interno e lunghezza del gocciolatore);
  3. temperatura dell’acqua circolante in condotta;
  4. carico piezometrico in corrispondenza dell’ultimo erogatore;

permette di valutare le grandezze in gioco per la corretta progettazione di un'ala erogatrice.

Alla determinazione della distribuzione delle pressioni lungo un’ala erogatrice si può pervenire attraverso una procedura di calcolo automatico che, dall’applicazione delle equazioni del moto e di continuità per prefissate condizioni al contorno, consenta di valutare, in corrispondenza di ciascun erogatore, il relativo carico piezometrico e conseguentemente l’effettiva portata erogata. In particolare, fissato il diametro della tubazione da utilizzare è possibile determinare l’effettivo andamento della piezometrica, imponendo il carico piezometrico in corrispondenza dell’ultimo erogatore dell’ala idraulicamente più sfavorita e secondarie (o condotte di testata) e le condotte principali. La scelta del carico piezometrico da adottare va fatta generalmente tenendo conto che la pressione in corrispondenza di un qualsiasi erogatore di ciascun settore irriguo non si discosti del ± 10% rispetto al carico nominale (hn). Infatti, tenuto conto che l’esponente x della legge di erogazione di molti erogatori in commercio è prossimo a 0,5 una variazione del carico del ±10%, determina variazioni di portata del ± 5%. Nei casi in cui l’esponente della legge di erogazione è più prossimo al valore 1 è opportuno ridurre il range di variazioni delle pressioni. Pertanto, considerando un’ala erogatrice, le perdite di carico complessive non dovranno eccedere il valore Y=20% hn ± Δ, in cui Δ rappresenta il dislivello geometrico tra le due estremità dell’ala, considerato positivo se il terreno pende (nel verso della corrente) e negativo nel caso di alimentazione dell’ala in contro pendenza (disposizione generalmente da evitare).

Stabilito quindi un carico a valle dell'ala pari a quello desiderato, procedendo da valle verso monte, la procedura di calcolo permette di determinare in corrispondenza di ciascun gocciolatore, l’altezza piezometrica e conseguentemente, l’effettiva portata erogata dallo stesso.
La portata erogata viene calcolata sulla base della relazione portata-pressione; nota la quale è possibile determinare le perdite di carico continue e le perdite di carico localizzate in corrispondenza del gocciolatore n-1esimo, si possono così valutare le perdite di carico totali nel tronco di condotta compreso tra l’ultimo erogatore (n-esimo) ed il precedente (n-1esimo).
Il carico piezometrico sul gocciolatore n-1esimo in una condotta orizzontale risulta quindi pari alla somma del carico piezometrico sul gocciolatore n-esimo e delle perdite di carico complessive (continue e localizzate) relative al tronco di condotta compreso tra l’ n-esimo e l’ n-1esimo gocciolatore, che permette a sua volta il calcolo della portata sull' n-1esimo gocciolatore.

L’applicazione dell’equazione del moto consente quindi di valutare, nell’ipotesi che siano trascurabili le variazioni di carico cinetico in condotta (piezometrica parallela alla linea dei carichi totali), l’altezza piezometrica in corrispondenza della sezione immediatamente a monte del penultimo erogatore e, conseguentemente, la portata da esso erogata. Procedendo a ritroso, da valle verso monte, si può individuare l’andamento della piezometrica e valutare, per ogni gocciolatore presente sull’ala erogatrice l’effettiva portata erogata.

Talvolta, quando si procede al dimensionamento delle ali erogatrici nell’ambito di un settore irriguo, può risultare nota l’altezza piezometrica in corrispondenza della derivazione dell’ala erogatrice dalla condotta di testata. In quest’ultimo caso, non essendo a priori nota la portata complessivamente erogata dai gocciolatori disposti lungo l’ala, si ipotizza, per il tronco di condotta compreso tra la sezione di monte dell’ala ed il primo erogatore, una portata di primo tentativo che consente di valutare le perdite di carico continue nel tronco di condotta considerato e le perdite localizzate in corrispondenza del primo erogatore.

Nota la morfologia del terreno, si può calcolare quindi l’altezza piezometrica relativa all’estremità di valle del tronco considerato. Procedendo da monte verso valle è possibile ricavare, con riferimento alla prima iterazione, l’andamento della piezometrica e la distribuzione delle portate erogate; la somma delle portate erogate dagli erogatori disposti lungo l’ala costituisce il valore di partenza della portata da assumere per la seconda iterazione. Il calcolo va ripetuto fino a quando, il valore della portata complessivamente erogata lungo l’ala risulta pari a quello assunto come valore di partenza.

In entrambi i casi, dopo avere calcolato la distribuzione delle portate erogate, è possibile esprimere, con riferimento ad un’ala erogatrice o ad un settore irriguo, un giudizio di qualità sulla base della determinazione del coefficiente di uniformità Christiansen, 1942, Karmeli, Keller, 1975, valutabile in relazione a dati di progetto. Se il valore del coefficiente di uniformità di progetto calcolato non rientra negli standards qualitativi, è necessario modificare il carico piezometrico in corrispondenza dell’estremità di valle o il diametro delle tubazioni utilizzate ovvero la lunghezza della condotta.

Verifica degli impianti di irrigazione

Nella verifica di un impianto di irrigazione, così come per il progetto, la rete di condotte in pressione priva di organi di regolazione (valvole di riduzione, valvole unidirezionali, ecc) è schematizzabile tramite una serie di lati costituiti ciascuno da un tratto di condotta semplice, cioè con diametro unico e scabrezza uniforme lungo il percorso; il cui numero è indicato con L. Ciascuna delle estremità dei lati vengono definiti nodi. I nodi si distinguono in nodi esterni ed interni, i primi, in numero di S sono quelli nei quali è fissata la quota piezometrica tramite la presenza di serbatoi, di torri piezometriche o altri dispositivi; i secondi, in numero di N, sono invece di quota piezometrica incognita.

Equazione del moto sui lati della rete

L'equazione del moto in un tratto di condotta di lunghezza L di estremi j e j+1 può esasere scritta come segue:

Hj-Hj+1= Y+Δ

in cui Hj e Hj+1 sono i carichi algi estremi del lato e Y e Λ sono rispettivamente le perdite di carico continue che si verificano nel tratto di condotta e le perdite di carico localizzate che si hanno in corrispondenza dei gocciolatori.

Equazioni di continuità

Le equazioni di continuità esprimono, nell’ipotesi di fluido incomprimibile, il bilancio delle portate in entrata ed in uscita in ciascun nodo della rete. Le equazioni di continuità, scritte per tutti i nodi interni della rete, costituiscono un sistema di N equazioni lineari indipendenti.

Equazione caratteristica degli erogatori

La curva caratteristica o equazione caratteristica dell'erogatore rappresenta il legame funzionale tra la portata erogata dall’apparecchio erogatore e l’altezza piezometrica corrispondente alla pressione di funzionamento h

Le quote geometriche

La quota geometriche dei nodi è la distanza verticale di ciascun nodo della rete da un piano (di riferimento) che può essere posto sul livello del mare, in questo caso si parla di quota assoluta, ovvero posto ad una quota di riferimeto nota diversa dal livello del mare.

Analisi di una rete idrica aziendale

Il calcolo di verifica di una rete di condotte in pressione viene affrontato risolvendo un sistema di equazioni costituito da:

  1. N equazioni di continuità, scritte in tutti i nodi interni della rete (euazioni lineari) nelle portate q incognite circolanti ai lati;
  2. N equazioni caratteristiche degli erogatori (equazioni non lineari )che descrivono il funzionamento idraulico degli apparecchi erogatori e che sono scritte in tutti i nodi interni della rete (nodi erogatori)nelle portate Q incognite erogate dagli apparecchi erogatori
  3. L equazioni del moto per tutti i lati della rete (equazioni non lineari)nelle quote piezometriche incognite.

A partire quindi dalle caratteristiche della rete (topologia, diametri, lunghezze e scabrezze delle condotte), fissate le quote piezometriche dei nodi esterni (quelle in cui sono presenti serbatoi di testata o di estremità, o torri piezometriche o dispositivi analoghi), dalla risoluzione del sistema nelle 2N+L equazioni nelle medesimo numero di incognite si determinano le portate negli L lati, le quote piezometriche degli N nodi e le N portate erogate dagli erogatori.

Link

Irriworks S.r.l. (software per verifica e progetto di impianti di irrigazione)

PROGETTO CON GOOGLE EARTH


PROGETTO CON CARTOGRAFIA 1:10.000


PROCEDURA DI VERIFICA

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