introduzione
Il problema della progettazione di un sistema irriguo, cioè del dimensionamento idraulico degli impianti irrigui, deve essere finalizzato all’ottenimento di una soddisfacente uniformità di fornitura (UE>90%) dei diversi dispositivi di erogazione e ottenere quindi un’uniformità di distribuzione dell’irrigazione a tutte le piante, in quanto distribuzioni non uniformi possono determinare sia zone poco irrigate e quindi produzioni non ottimali, sia zone eccessivamente irrigate in cui l’eccesso di acqua può causare problemi di apparato radicale asfissia o dilavamento dei fertilizzanti presenti nel terreno. Ciò può essere reso possibile mantenendo le variazioni della portata erogata dai gocciolatori entro limiti predeterminati e comunque modesti.
Per la progettazione di un impianto di irrigazione aziendale è necessario, da un lato, conoscere i volumi d’acqua da fornire durante ogni irrigazione e, dall’altro, disporre di un’adeguata cartografia di base che evidenzi nel dettaglio l’altimetria delle superfici essere irrigato. La valutazione dei volumi delle singole irrigazioni, così come dei turni irrigui, può essere effettuata mediante l’applicazione di modelli di bilancio idrico dell’acqua al suolo che consentono di stimare l’effettivo consumo di evapotraspirazione delle colture a cui occorre applicare con irrigazione. Si tenga presente che si tratta dei volumi da fornire nel caso di ciascuna irrigazione, scelto il tipo di impianto (aspersione, microirrigazione) e il modello di erogatori da utilizzare, è necessario procedere con il tracciamento e la successiva dimensionamento della rete, che non può prescindere dalla conoscenza dell’andamento plano-altimetrico del territorio.
Sistemi di irrigazione collettiva
Gli impianti di irrigazione collettiva sono un complesso di manufatti e apparecchiature (opera di presa, adduttore, distributori, divisori, erogatori, idranti di mandata, ecc.) che consentono all’azienda irrigua che li gestisce (ente pubblico o privato) di erogare l’acqua alle singole utenze. Il complesso di terreni serviti dalla stessa rete di distribuzione è denominato zona irrigua (Fig. 1).
L’irrigazione collettiva viene attuata attraverso un sistema di irrigazione che può essere realizzato secondo una rete canalizzata o una rete di tubazioni. La rete canalizzata è costituita da una serie di canali (in terra, in cemento, ecc.) che, attraverso un’opera di presa, prelevano l’acqua da una fonte di approvvigionamento idrico e la consegnano alle aziende attraverso un tratto a T detto di intercettazione e derivazione. La derivazione a pelo libero è strettamente legata alla morfologia del terreno e, pertanto, risulta spesso di difficile attuazione, poiché la scelta del tracciato ottimale del canale appare complicata, sia in relazione ai vincoli geologici che agli obiettivi di sistemazione idraulica. natura.
Figura 1 – Schema di una rete di irrigazione collettiva
In passato si preferiva realizzare reti canalizzate a causa delle difficoltà legate alla posa delle tubazioni. Lo scavo dei tratti di posa delle tubazioni, infatti, costituiva un notevole onere economico nella realizzazione della rete. La progettazione di una rete canalizzata comporta la scelta del percorso, che dipende dalla morfologia del terreno da attraversare, la scelta della forma della sezione trasversale nonché la conoscenza del flusso da convogliare.
La rete tubiera, invece, è costituita da tubazioni in pressione realizzate in materiali (PVC, acciaio, ghisa, ecc.) che collegano la fonte di approvvigionamento idrico con l’elemento di mandata, rappresentato da un idrante (tronco di tubo che arriva dal terreno in cui è installato l’oggetto della fornitura). Se la distribuzione a livello aziendale avviene con metodi di irrigazione ad espansione superficiale (per sommersione, per infiltrazione da solchi) non è necessario che l’acqua venga distribuita con notevole pressione in quanto, nell’irrigazione aziendale, il movimento dell’acqua è dettato dalla naturale andamento del terreno (dalla pendenza del campo). Se invece a livello aziendale si pratica la modalità di irrigazione per aspersione, è necessario che l’acqua venga distribuita con una pressione compresa tra 2 e 5 atm, mentre per reti di microirrigazione sono richieste pressioni di 1-2 atm in relazione alla tipologia delle attrezzature erogatrici utilizzate. Laddove si utilizzino macchine irrigue è necessario avere pressioni di esercizio ancora più elevate (7-8 atm) che permettano il funzionamento delle macchine.
Le reti in tubazioni non hanno limiti relativi alla pendenza dei pendii e hanno il vantaggio di poter essere interrate; pertanto non valgono più le limitazioni delle reti canalizzate riguardanti, ad esempio, l’attraversamento delle strade che nelle reti canalizzate viene effettuato con l’utilizzo di sifoni o canali posti ad una certa altezza rispetto al piano stradale. Nella progettazione degli impianti di irrigazione collettiva pressurizzata è necessario garantire agli idranti l’erogazione di una portata (modulo) assegnata ad una determinata pressione. Si tenga presente che sia la posizione altimetrica della fonte di approvvigionamento idrico, stabilite le portate che attraversano la rete ed il diametro delle tubazioni, il calcolo delle effettive pressioni agli idranti di mandata non può prescindere dalla conoscenza dell’altimetria del terreno, che permette di valutare, in corrispondenza di ciascun idrante, la posizione altimetrica dello stesso.
Progettazione dell’ala gocciolante
In un’ala di erogazione le portate che fluiscono nei vari tratti di tubazione possono essere determinate se è nota la distribuzione delle pressioni nel condotto e quindi se è possibile, per ciascun gocciolatore, conoscere l’effettiva portata erogata, si tenga presente che la curva è la caratteristica di consegna.
Per poter risolvere con precisione il problema progettuale è quindi necessario da un lato conoscere il rapporto funzionale q (h) del gocciolatore utilizzato e la sua variabilità e dall’altro disporre di procedure accurate per la stima delle perdite di carico nell’impianto tubatura.
Pertanto, una volta impostata la pressione di esercizio dell’ultimo erogatore, dalla curva caratteristica si può dedurre la portata erogata dall’ultimo apparecchio posto lungo l’ala, che ovviamente coincide con quella che scorre nel tratto di tubo compreso tra l’ultimo e il precedente distributore. Noto questo valore di portata è possibile calcolare le perdite di carico complessive che si determinano nel tratto di tubazione considerato e quindi la pressione in corrispondenza dell’erogatore immediatamente precedente; procedendo da valle a monte è quindi possibile tracciare la distribuzione delle pressioni lungo tutta l’ala di mandata.
Le perdite di carico nelle ali di mandata
Lungo un’ala di erogazione si verificano entrambiperdite di carico continue nella tubazione tratti compresi tra successivi gocciolatori, cheperdite di carico localizzate agli attacchi dei gocciolatori. Bisogna quindi considerare due aspetti importanti: il tipo di legge di resistenza da adottare per la valutazione delle perdite continue e l’influenza delle perdite di carico localizzate causate dalla presenza degli ugelli lungo l’ala.
Le suddette perdite, pur essendo singolarmente modeste, in relazione all’elevato numero di regolatori disposti lungo l’ala, possono assumere nel complesso un peso non trascurabile rispetto alle continue perdite [Bertolacci et Al, 1982], [Howell, Barinas, 1980], [Howell, Hiler, 1974], [Karmeli, Keller, 1975] e devono quindi essere presi in considerazione in un corretto calcolo idraulico.
Pressioni e portate erogate in un’ala gocciolante
La determinazione della distribuzione delle pressioni lungo l’ala di mandata e quindi delle portate erogate dai gocciolatori disposti lungo l’ala può essere effettuata attraverso una procedura di calcolo che consente di valutare, per l’ala di mandata, l’entità delle perdite di carico variano sia nelle dimensioni del gocciolatore rispetto a quelle del condotto, sia nella distanza tra loro. Questa procedura si basa sui seguenti dati di input:
- grandezze geometriche relative all’ala di erogazione (diametro interno, lunghezza, interdistanza tra i gocciolatori)
- geometria dell’erogatore (diametro interno e lunghezza del gocciolatore)
- temperatura dell’acqua circolante nel condotto
- curva caratteristica di erogazione dei gocciolatori
- carico piezometrico all’ultimo erogatore
- morfologia del terreno.
Questi dati permettono di valutare le quantità in gioco per la corretta progettazione di un’ala di consegna.
La determinazione della distribuzione della pressione lungo un’ala di mandata può essere ottenuta attraverso una procedura di calcolo automatico che, applicando le equazioni del moto e della continuità per predeterminate condizioni al contorno, consente di valutare, in corrispondenza di ciascun regolatore, il relativo carico piezometrico e conseguentemente il portata effettiva erogata. In particolare, una volta fissato il diametro della tubazione da utilizzare, è possibile determinare l’effettivo andamento piezometrico, imponendo il carico piezometrico in corrispondenza dell’ultimo erogatore dell’ala idraulicamente più svantaggiata e secondaria (o condotti di testa) e i condotti principali. La scelta del carico piezometrico da adottare deve essere generalmente fatta tenendo conto che la pressione ad ogni erogatore in ciascun settore irriguo non differisce del ± 10% dal carico nominale (hn). Infatti, tenendo conto che l’esponente x della legge di erogazione di molti erogatori in commercio è prossimo allo 0,5, una variazione di carico del ± 10% determina variazioni di portata del ± 5%. Nei casi in cui l’esponente della legge di portata si avvicina al valore 1 è opportuno ridurre il range di variazione della pressione. Pertanto, considerando un’ala mandata, le perdite di carico complessive non devono superare il valore Y = 20% hn ± Δ, in cui Δ rappresenta il dislivello geometrico tra le due estremità dell’anta, considerato positivo se il terreno è in pendenza (in direzione della corrente) e negativo nel caso di motorizzazione dell’anta in contropendenza (disposizione generalmente da evitare).
Stabilito quindi un carico a valle dell’ala pari a quello desiderato, procedendo da valle a monte, la procedura di calcolo consente di determinare, in corrispondenza di ciascun gocciolatore, l’altezza piezometrica e di conseguenza la portata effettiva da esso erogata. La portata erogata viene calcolata in base al rapporto portata-pressione; si noti che è possibile determinare le perdite di carico continue e le perdite di carico localizzate in corrispondenza dell’n-1° gocciolatore, è quindi possibile valutare le perdite di carico totali nel tratto di tubazione compreso tra l’ultimo erogatore (n-esimo) e quello precedente (n-1°).
Il carico piezometrico sull’n-esimo gocciolatore in un tubo orizzontale è quindi pari alla somma del carico piezometrico sull’n-esimo gocciolatore e delle perdite di carico totali (continue e localizzate) relative al tratto di tubo compreso tra l’n-esimo e l’ n-1° gocciolatore, che a sua volta permette il calcolo della portata sull’n-1° gocciolatore.
L’applicazione dell’equazione del moto consente quindi di valutare, nell’ipotesi che le variazioni di carico cinetico nella condotta (piezometrica parallela alla linea dei carichi totali) siano trascurabili, l’altezza piezometrica in corrispondenza del tratto immediatamente a monte della il penultimo erogatore e, di conseguenza, la portata da esso erogata. Procedendo a ritroso, da valle a monte, è possibile individuare l’andamento piezometrico e valutare, per ciascun gocciolatore presente sull’ala di erogazione, l’effettiva portata erogata.
Talvolta, quando si dimensionano le alette di erogazione all’interno di un settore irriguo, è possibile conoscere l’altezza piezometrica in corrispondenza della derivazione dell’ala di erogazione dalla tubazione di testa. In quest’ultimo caso, non essendo nota a priori la portata complessiva erogata dai gocciolatori disposti lungo l’ala, si assume una portata di primo tentativo per il tratto di tubo compreso tra il tratto a monte dell’ala ed il primo ugello che consente valutare le perdite di carico continue nel tratto di condotta considerato e le perdite localizzate in corrispondenza del primo distributore.
Nota la morfologia del terreno si può quindi calcolare l’altezza piezometrica relativa al fondovalle del tronco in esame. Procedendo da monte a valle è possibile ottenere, con riferimento alla prima iterazione, l’andamento piezometrico e la distribuzione dei flussi erogati. 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 dovrà essere ripetuto finché il valore della portata complessiva erogata lungo l’ala non sarà pari a quello assunto come valore iniziale.
In entrambi i casi, dopo aver calcolato la distribuzione dei flussi erogati, è possibile esprimere, con riferimento ad un’ala di distribuzione o ad un settore irriguo, un giudizio di qualità basato sulla determinazione delcoefficiente di uniformità (Christiansen, 1942, Karmeli, Keller, 1975), che può essere valutato in relazione ai dati di progettazione. Se il valore del coefficiente di uniformità di progetto calcolato non rientra negli standard di qualità, è necessario modificare il carico piezometrico all’estremità a valle o il diametro dei tubi utilizzati o la lunghezza della tubazione.
Verifica degli impianti di irrigazione
Nella verifica di un impianto di irrigazione, così come nel progetto, la rete di condotte in pressione prive di dispositivi di regolazione (valvole di riduzione, valvole unidirezionali, ecc.) può essere schematizzata attraverso una serie di lati costituiti ciascuno da un semplice tratto di tubazione , cioè con diametro unico e rugosità uniforme lungo il percorso; il cui numero è indicato con L. Ciascuna delle estremità dei lati sono definiti nodi. I nodi si dividono in nodi esterni ed interni, i primi, in numero di S, sono quelli in cui l’altezza piezometrica è fissata mediante la presenza di serbatoi, torri piezometriche o altri dispositivi; i secondi, in numero N, sono invece di altezza piezometrica sconosciuta.
Equazione del moto sui lati della rete
L’equazione del moto in una sezione di tubo di lunghezza L con estremi j e j + 1 può essere scritta come segue:
Hj-Hj + 1 = Y + Δ
dove Hj e Hj + 1 sono i carichi laterali estremi e Y e Λ sono rispettivamente leperdite di carico continue che si verificano nella sezione del gasdotto e nelperdite di carico localizzate che si verificano in corrispondenza dei gocciolatori.
Equazioni di continuità
Le equazioni di continuità esprimono, nell’ipotesi di un fluido incomprimibile, l’equilibrio dei flussi in entrata e 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 emettitori
Làcurva caratteristica o equazione caratteristica dell’erogatore rappresenta il legame funzionale tra la portata erogata dall’erogatore e l’altezza piezometrica corrispondente alla pressione di esercizio h.
Le dimensioni geometriche
L’altezza geometrica dei nodi è la distanza verticale di ciascun nodo della rete da un piano (di riferimento) collocabile sul livello del mare, in questo caso si parla di quota assoluta, cioè posto ad una quota di riferimento 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:
- N equazioni di continuità, scritte in tutti i nodi interni della rete (equazioni lineari) nelle portate q incognite circolanti ai lati
- N equazioni caratteristiche degli erogatori (equazioni non lineari) che descrivono il funzionamento idraulico degli erogatori e che sono scritte in tutti i nodi interni della rete (nodi di erogazione) nei flussi incogniti Q erogati dagli erogatori
- L equazioni del moto per tutti i lati della rete (equazioni non lineari) ad altezze piezometriche sconosciute.
Pertanto, a partire dalle caratteristiche della rete (topologia, diametri, lunghezze e scabrezza delle tubazioni), si fissano le altezze piezometriche dei nodi esterni (quelli in cui sono presenti serbatoi di testa o di testata, oppure torri piezometriche o dispositivi simili), dalla risoluzione del sistema nelle equazioni 2N+L in altrettante incognite determinano le portate sui lati L, le altezze piezometriche degli N nodi e le N portate erogate dai distributori.
