Progettazione della Rete Idrica – La Distribuzione

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Capitolo 5

Progettazione della Rete Idrica – La Distribuzione

5.1-La Progettazione della Rete di Tipo Misto. Nei problemi di progettazione le incognite sono rappresentate generalmente dal valore dei diametri, delle portate nei vari tratti, dei carichi piezometrici ai nodi e agli estremi; è passando attraverso una serie di semplificazioni e di scelte progettuali che andiamo a eliminare via via tutti i gradi di libertà delle reti studiate.

Generalmente le reti si distinguono in aperte, chiuse e miste: la rete chiusa si distingue da quella aperta se le tubazioni vengono a formare una serie di tratti che si chiudono su se stessi. Se la rete fosse di tipo aperta, generalmente le caratteristiche di lunghezza dei vari tratti sono noti, dato che la scelta e la posizione dei luoghi da servire rappresentano il mio dato di partenza; conosco anche le quote agli estremi, che mi devono garantire un certo grado di servizio, e le portate in arrivo e in uscita dagli estremi, e di conseguenza, per le equazioni di continuità, anche le portate nei vari tratti della rete. Viceversa non conosciamo il valore dei diametri dei t tratti e le quote piezometriche degli n nodi; le incognite sono perciò in complesso pari a:

Incognite Rete Aperta → t + n

Equazioni Rete Aperta → Equazioni di Moto → J = b ∙ Q

D → t

Le uniche formule che ho in dotazione sono le formule di moto, dato che quelle di continuità sono già state utilizzate per determinare il valore delle portate Q nei vari tratti; in questo modo rimangono n gradi di libertà, e fra tutte le possibili soluzioni vengono scelte quelle di massima economia, che portano alla soluzione:

∂c

∂J = ∂c

∂J

Cioè la sommatoria ∂c/∂J, estesa alle condotte in arrivo al nodo N, deve essere uguale all’analoga sommatoria estesa alle condotte in partenza. L’equazione si trasforma considerando le seguenti equazioni:

∂c

∂J = ∂c

∂D∙ ∂D

∂J

c = a ∙ D → ∂c

∂D= ν ∙ a ∙ D

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J = b ∙ Q

D → D = (b ∙ Q ) J

→ ∂D

∂J = − 1 μ ∙ b ∙D

Q

L’equazione più generale di economia in un nodo con n condotte in arrivo e m in partenza risulta quindi:

Eq. Rete Aperta → Eq. di Economia → a ∙ ν b ∙ μ ∙D

Q = a ∙ ν

b ∙ μ ∙D

Q → n

essendo la prima parte estesa alle condotte in arrivo e la seconda parte alle condotte in partenza;

associando ad essa le t equazioni di moto per i vari tratti, il sistema di equazione risulta essere univocamente determinato.

Nei problemi di progetto delle reti di tipo chiuso o di tipo misto sono note, oltre alle lunghezze dei vari tratti, le portate esterne entranti e uscenti della rete (portate di alimentazione e di erogazione, le quali possono essere sia localizzate ai nodi che distribuite sui tratti); risultano invece incogniti i diametri e le portate dei tratti stessi e le quote piezometriche dei nodi e delle estremità libere (tranne una). È facile rendersi conto che il problema risulta indeterminato, dal momento che il numero delle equazioni disponibili è inferiore al numero delle incognite. Infatti, per le reti di tipo chiuso costituite da m maglie, da n nodi e da t tratti, con:

t = m + n − 1 le incognite risultano pari a:

Incognite Rete Chiusa → 2t + n − 1 le equazioni disponibili sono in totale:

Equazioni Rete Chiusa → Equazioni di Moto → J = b ∙ Q D → t Eq. Rete Aperta → Eq. di Continuità → Q = Q → n − 1

il problema rimane quindi con t gradi di libertà. Nel caso di una rete di tipo misto, note le portate di alimentazione o di erogazione nei tratti terminali della rete, le equazioni di continuità dei nodi appartenenti alle appendici ramificate, che si dipartono dalla rete a maglie chiuse, consentono di determinare le portate in tutti i tratti di tali appendici, per cui le ulteriori incognite, rispetto alla rete a maglie chiuse di partenza, sono i diametri dei tratti delle appendici e le quote piezometriche dei nodi e delle estremità libere delle appendici stesse; il numero globale di tali quote è uguale a quello dei tratti della appendici ramificate, per cui il numero totale delle ulteriori incognite è uguale al doppio dei tratti delle ramificazioni. Poiché le ulteriori equazioni disponibili sono solo quelle di moto di tali tratti, l’aggiunta delle ramificazioni alla rete a maglie chiuse di partenza comporta l’introduzione di un numero di incognite sovrabbondanti pari al numero dei tratti di tali ramificazioni; quindi, per le reti di tipo misto, le incognite in eccesso rispetto alle equazioni

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disponibili sono uguali al numero complessivo dei tratti della rete, proprio come accade per le reti di tipo chiuso.

L’indeterminazione del problema del progetto di questa tipo di rete comporta la possibilità di ricorrere a vari metodi di risoluzione. Spesso però il calcolo è influenzato dai vincoli legati alla condizione di servizio, quale l’assegnazione delle quote piezometriche agli estremi, o dei diametri, o delle portate; nelle reti di tipo misto in genere vengono fissate le quote piezometriche a tutte le estremità libere. Qualora il numero dei vincoli introdotti sia uguale al numero t delle incognite sovrabbondanti, il problema risulta univocamente determinato in base alle equazioni idrauliche del moto e alle equazioni di continuità ai nodi. Quando il numero dei vincoli introdotti è insufficiente a rendere determinato il problema, è possibile scegliere, fra le soluzioni possibili quella più economica.

Si fa presente che l’ottimizzazione della progettazione in termini economici delle reti chiuse di tipo misto conduce quasi sempre a risparmi di entità limitata rispetto alle soluzioni che possono essere molto più agevolmente trovate introducendo opportuni vincoli di natura idraulica o di altro genere, che consentono di ottenere condizioni di esercizio sempre più soddisfacenti.

La planimetria di una rete è abbastanza agevole da trovare, dato che essa è generalmente condizionata dalla presenza delle utenze da servire e dalle vie d’accesso ad esse. Una volta stabilito questo generalmente è necessario andare a individuare la rete costituita dalla sola distribuzione, ossia che si fa portatrice di acqua, a quella di erogazione, che rende disponibile l’acqua alle utenze.

In questo modo sappiamo quali sono i nodi e le condotte che costituiscono elemento di erogazione della rete irrigua. I metodi principali sono i seguenti:

 Metodo dei Tagli Virtuali: con tale metodo si individua nelle maglie della rete punti di inversione del flusso lungo i percorsi, in modo che risultino note le portate uscenti dai nodi della rete formata dalle sole condotte alimentatrici. La verifica avviene andando a controllare le quote piezometriche nel taglio, procedendo da ambo le parti, debbono coincidere, altrimenti il taglio è errato e va cambiato.

 Metodo mediante Successive Verifiche: si assume un sistema arbitrario di portate nei vari tratti della rete, soddisfacendo le equazioni di continuità ai nodi e in base ad esso si stabiliscono dei diametri di tentativo, fissando ad esempio la velocità minima da rispettare.

A questo punto si effettua la verifica della rete, determinando le effettive portate nei tratti e le quote piezometriche nei nodi e nelle estremità libere. Per successivi calcoli si effettua un affinamento dei diametri da utilizzare nel calcolo.

 Metodo mediante Vincoli Idraulici: si inseriscono t vincoli di natura idraulica, dei quali m devono fissare il valore della portata in un tratto di ciascuna delle m maglie, in modo che le equazioni di continuità ai nodi sia possibile determinare le portate in tutti i tratti della rete;

gli altri (t-m) vincoli devono invece stabilire le quote piezometriche in altrettanti nodi.

Fra i metodi elencati si rende facilmente accessibile la possibilità, grazie alla presenza di programmi di calcolo, di effettuare una progettazione mediante verifiche successive, per le quali si procede ad analizzare i valori delle velocità e dei carichi piezometrici ai nodi e nei tratti erogatori, stabilendo via via i valori dei diametri per ciascun tratto di tubazione, in modo da rendere note le t incognite di ciascuna rete.

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5.2-Tubazioni con Erogazione Lungo il Percorso. Nello studio di un acquedotto capita molto spesso di analizzare un tratto di tubazione che presenta una successione di erogazioni laterali lungo il percorso, molto ravvicinate fra loro; si può immaginare di avere dei tratti piccolissimi di tubazione, collegati fra loro attraverso nodi, dove per ognuno di questi si ha una certa diminuzione di portata. Nella letteratura tecnica anglosassone questo tipo di distribuzione viene denominata

“manifold”; questo è un tipico problema di moto permanente non uniforme a tratti, con una linea piezometrica che costituisce una spezzata.

Generalmente un problema del genere risulta essere semplificato utilizzando una condotta principale di diametro costate, con una scabrezza che si suppone costante su tutto il percorso; le situazioni che possono presentarsi sono due: in una vi è una certa portata finale, che quindi non viene distribuita, nell’altra la portata finale risulta essere nulla. Si parla allora di condotta a servizio misto e di condotta a servizio distributivo. Nei centri abitati le erogazioni risulta essere molto ravvicinate fra loro, quindi in tali casi si può parlare di erogazione continua. Questo può essere fatto perché si presentano delle diminuzioni di quote cinetiche modeste, che provocano dei recuperi di pressione trascurabili. Nel nostro caso abbiamo supposto una distribuzione continua uniforme.

Molto particolare è l’andamento della linea piezometrica, visibile in Figura 5.1, che tende a diminuire mano a mano che si procede verso valle.

Figura 5. 1: schema del problema delle tubazioni con servizio sul percorso, e andamento della piezometrica.

Questo comportamento è riconducibile a due aspetti:

 l’attrito, che provoca una diminuzione della pressione

 la decelerazione della corrente che provoca un aumento della pressione

il primo aspetto è prevalente nel primo tratto, mentre nella parte finale è il secondo che ha il sopravvento. Lo studio di questa tipologia di problema viene fatto comparandolo ad un tratto di tubazione che presta il servizio esclusivamente alle estremità. Da una serie di semplici passaggi si arriva a considerare la portata equivalente Qo, definita come la portata, per un tratto di servizio d’estremità, che fornisce la stessa perdita di carico fra i due estremi; questa è pari a:

Q = Q + 0,55 ∙ Q

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dove Qe e la portata che viene addotta all’estremità di valle, mentre Qd è la portata distribuita lungo il percorso. Qualora la portata addotta a valle sia nulla, ossia si ha esclusivamente la distribuzione nel percorso, la portata equivalente diventa:

Q =Q

√3

La perdita di carico lungo il percorso, considerando il riferimento da valle, è pari:

∆Y = b

D ∙ Q + Q ∙ q ∙ x +1

3∙ q ∙ x ∙ x

Delle volte, però, come nella Figura 5.2, il tratto risulta alimentato da ambo gli estremi, chiamati a e b, con portate Qa e Qb, la cui somma è pari a Qd:

Figura 5. 2: schema per sistema con distribuzione lungo il percorso, con portate entranti da entrambi gli estremi.

in questo caso occorre innanzitutto determinare il punto d’inversione della portata, pari a:

x = L ∙ Q Q

L − x = L ∙ Q Q

Per questo tipo di configurazione si ottengono i seguenti risultati:

∆Y = Y − Y = 1 3∙ b

D ∙Q − Q Q ∙ L Q = 1

√3∙ Q − Q Q

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Durante le operazioni di verifica della rete di tipo chiuso, questo tipo di problema risulta essere molto importante; per le equazioni di continuità bisogna ricordarsi di considerare le quantità di portate distribuite. Successivamente, durante le iterazioni di calcolo, si considerano i valori della portata equivalente, risultando questa la portata da modificare con le correzioni.

5.3-Il Metodo di Hardy Cross. Per la risoluzione delle reti, soprattutto nel caso di quelle chiuse, si presentano delle difficoltà dovute alla non linearità delle equazioni, e inoltre bisogna far fronte ai numerosi nodi e lati che lo schema della rete presenta. Per risolvere un tale problema si devia dalla strada analitica per optare su metodi numerici, analogici e grafici. Tra i tanti metodi numerici proposti, quello che ha riscosso il maggior successo è quello proposto da Hardy Cross nel 1936, derivato dal procedimento per il calcolo della resistenza dei sistemi reticolari iperstatici.

Nel caso di maglie chiuse il procedimento viene denominato metodo di bilanciamento dei carichi ed è basato direttamente sul principio di equilibrio delle perdite di carico; ciò comporta che la somma delle perdite di carico all’interno di una maglia chiusa deve risultare nulla:

∆H = K ∙ Q = 0

questo per ogni maglia che costituisce la rete; i vari passi successivi possono essere semplicemente elencati:

1. si fissa ad arbitrio una ragionevole distribuzione delle portate sia in direzione che in modulo in tutta la rete; questa fase si basa molto sull’esperienza personale del progettista, il quale, con una scelta oculata, può abbreviare notevolmente le operazioni di calcolo;

2. si calcolano le perdite di carico relative a ciascuna condotta con le portate di primo tentativo fissate precedentemente;

3. si sommano le relative perdite di carico all’interno di ciascuna maglia; a priori si stabilisce un verso di percorrenza della maglia, quindi le portate che seguono il verso positivo stabilito vengono considerate positive, le rimanenti negative; tale somma, in teoria, deve risultare nulla, ma molto spesso darà luogo ad uno scarto di un certo valore. Tale scarto rappresenta l’imperfezione delle scelte precedenti, e bisogna fare in modo di annullarlo.

4. si valuta la correzione che deve essere apportata ai valori di primo tentativo, che devono essere calcolate per ogni maglia. Le portate reali possono essere poste in questo modo:

Q = Q + ∆Q

da questa considerazione andiamo a calcolare il valore dello scarto con cui correggere le nostre portate di primo tentativo. Il valore sarà pari, sempre per ogni maglia, a:

∆Q = −∑ K ∙ Q ∙ Q 2 ∙ ∑ K ∙ Q

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A questo punto il processo è iterativo: si correggono le portate di primo tentativo e si procede a una seconda prova che parte dal punto 2 e ci riporta fino al calcolo della correzione del secondo tentativo. A questo punto se la correzione risulta essere di valore trascurabile rispetto alle portate in gioco, allora il procedimento si blocca, altrimenti si continua fino al raggiungimento di tale scopo.

Da notare che, se un tratto di tubazione è contiguo a due maglie, la correzione deve essere doppia, negativa o positiva a seconda del senso di percorrenza di ciascuna maglia.

Quindi andiamo a ricapitolare gli aspetti fondamentali: nella progettazione di una rete di tipo misto abbiamo un numero di incognite pari a numero dei tratti di tubazione presenti nella schematizzazione; lo studio può essere suddiviso nell’analisi delle rete di distribuzione, generalmente di tipo aperto, sostituendo ad esse, nello schema principale, le portate richieste. In questo modo analizziamo da una parte le reti aperte, dall’altra la rete chiusa. Dato che ci avvaliamo dell’aiuto di un programma di calcolo per le reti in pressione, il metodo più semplice da applicare è quello delle successive verifiche; nella verifica si applicano semplificazioni delle reti con distribuzione continua e applicando il metodo di Cross per i veri tentativi, e questo è fatto tuto dal programma EPANET. Si stabiliscono i valori dei diametri, in modo da eliminare le incognite, e poi si effettua una verifica della rete: se le condizioni di servizio, date dal primo tentativo di diametri, non sono soddisfatte si prosegue attraverso successivi affinamenti dei valori del diametro. I parametri di riferimento sono i carichi alle estremità e le velocità nelle tubazioni.

5.4-I Metodi Irrigui. Andiamo ora a visionare qual è il comportamento delle metodologie irrigue per quanto riguarda il rendimento delle pratiche irrigue e le loro caratteristiche principali.

Quando si parla di metodo irriguo ci riferiamo al metodo con il quale l’acqua viene distribuita in campo, mentre si definisce sistema irriguo un insieme di elementi tra loro connessi in modo da formare un unico complesso funzionale, ossia un insieme di opere, sistemazioni del terreno, impianti, strutture, finalizzati alla distribuzione dell’acqua irrigua al terreno. I metodi irrigui sono ugualmente raggruppati in due categorie: metodi gravitazionali, per i quali non è necessario mettere in pressione l’acqua che, attraverso rete di canali o solchi, si muove a pressione atmosferica sulla superficie del suolo in leggera pendenza e metodi che richiedono acqua, che si muove in reti di condotte, in pressione.

I metodi gravitazionali rappresentano la maniera di irrigare più antica e, ancora oggi, più utilizzata nel mondo. I più comuni sono la sommersione, totale o parziale (ad aiuole o a conche), lo scorrimento (ad ala doppia, ala semplice, spianata, campoletto, ecc.), l’infiltrazione laterale e la subirrigazione freatica. I metodi in pressione comprendono l’aspersione e la microirrigazione le cui differenze sono connesse alla localizzazione della distribuzione dell’acqua che contraddistingue i metodi di microirrigazione.

L’aspersione consiste nel somministrare acqua attraverso apparecchi erogatori chiamati irrigatori.

Da esso fuoriesce un getto con le caratteristiche di una pioggia artificiale. La vasta gamma di irrigatori esistente rende l’irrigazione per aspersione adottabile nelle più svariate condizioni di terreno e di coltura. L’irrigazione per aspersione si presta a raggiungere anche obbiettivi multipli:

irrigazione dilavante, climatizzante, pre-semina o pre-trapianto).

Gli irrigatori possono essere di tipo statico o dinamico. L’irrigatore statico è usato soprattutto nel giardinaggio, e bagna una superficie circolare. L’irrigatore idrodinamico, più usato in agricoltura, bagna l’area circolare di sua pertinenza attraverso un getto in movimento. In relazione al meccanismo di movimento si distinguono gli irrigatori a percussione, nei quali la rotazione è

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determinata dall’impatto del getto principale o secondario su un battente, e gli irrigatori a turbina nei quali la rotazione della testa dell’irrigatore è provocata dal passaggio dell’acqua in una piccola turbina. La rotazione va da 360° a settori circolari vari.

Figura 5. 3: irrigatori a pioggia in funzione su un campo di mais.

Ci sono delle caratteristiche che contraddistinguono le tipologie dell’irrigatore:

 Diametro della sezione erogante (D);

 Pressione d’esercizio o carico d’esercizio (P);

 Portata (Q);

 Gittata (R);

altre caratteristiche invece derivano da quelle appena elencate:

 L’intensità media della pioggia Ip: essa deve essere sempre inferiore alla velocità d’infiltrazione nel suolo;

 Il diagramma del piovuto: rappresentazione grafica della distribuzione delle altezze di pioggia o dell’intensità di pioggia;

 La dimensione delle gocce: da essa dipende l’energia cinetica della goccia Si può effettuare una classificazione di questo genere:

Parametro Unità Bassa Media Alta

Pressione di funzionamento kPa < 200 200 ÷ 500 > 500

Intensità della Pioggia mm/h < 5 5 ÷ 10 > 10

Gittata m < 10 10 ÷ 25 > 25

Tabella 5. 1: classificazione degli irrigatori.

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Gli irrigatori statici hanno di solito gittata bassa e intensità di pioggia da media ad elevata; trovano il loro campo di impiego ottimale nel giardinaggio. La scelta dello schema di avanzamento, ossia della disposizione degli irrigatori in campo, dipende da caratteristiche dell’irrigatore (gittata e diagramma del piovuto), della coltura (altezza, sesti d’impianto negli alboreti, etc.), delle operazioni colturali, del clima (ventosità). Gli schemi di avanzamento più comuni sono: in quadrato, in triangolo, in rettangolo. Poiché gli irrigatori distribuiscono l’acqua ad aree circolari di raggio R, la distanza minima teorica per bagnare tutta la superficie deve essere minore di 2R.

Gli impianti per aspersione possono essere suddivisi in:

 Impianti Fissi: tutte le tubazioni sono fisse per tutta la durata economica e ogni irrigatore bagna una porzione fissa di terreno; le condotte in genere sono interrate ad una profondità di 0,30-0,75m e l’unica parte visibile dell’impianto sono le astine porta-irrigatore e gli irrigatori.

 Impianti Staziali: sono fissi soltanto durante la stagione irrigua, alla fine della quale vengono rimossi per rimontarli l’anno successivo, magari in un appezzamento diverso.

 Impianti Mobili: sono composti da una rete fissa o mobile di tubazioni principali e da ali mobili portanti uno o più irrigatori. Le ali mobili possono essere a movimento periodico o continuo: le prime vengono spostate manualmente o con l’ausilio di mezzi meccanici in postazioni diverse; nelle seconde il movimento è automatico, dovuto ad apposite macchine.

Le ali a movimento periodico comprendono dalle semplici ali mobili formate da tubazioni in lamierino zincato collegate con giunti rapidi, alle ali rotolanti in cui si hanno grandi ruote in corrispondenza dei giunti, agli irrigatori giganti posti all’estremità di lunghe condotte, alle bome, ossia braccia rotanti portanti gli irrigatori imperniate su un carrello, ai robot, irrigatori giganti posti su un carrello fornito di sensori per l’aggancio automatico.

Le ali a movimento continuo bagnano, in sequenza, aree molto estese. I più comuni sono il pivot (Figura 5.4), ossia un ala imperniata ad una estremità fissa collegata alla presa d’acqua, in movimento continuo, che bagna un area circolare di notevole estensione, ed il rainger, sistema simile al pivot ma ad avanzamento frontale, in modo da bagnare un area rettangolare priva di ostacoli.

Figura 5. 4: metodi di irrigazione pivot ed irrigatore semovente ad ala avvolgibile.

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La micro-irrigazione comprende diverse tecniche, tutte contraddistinte dall’uso di erogatori di piccola portata, funzionanti a bassa pressione. Alle piccole portate si accompagna la localizzazione dell’adacquamento; mentre nell’aspersione si bagna tutta la superficie, nella micro-irrigazione l’acqua viene distribuita a frazioni variabili della superficie coltivata.

La micro-irrigazione presenta aspetti positivi connessi alla possibilità di fornire acqua e concimi nelle immediate vicinanze delle piante; è un metodo potenzialmente ad elevata efficienza, a fronte di un elevato costo d’impianto, giustificabile per colture ortive ed arboree da frutto.

Esistono diversi metodi di micro-irrigazione, distinte soprattutto in relazione al tipo di erogatore utilizzato ed alla sua posizione rispetto alla superficie del terreno. Rispetto al tipo di erogatore si distinguono gli impianti a goccia, che utilizzano gocciolatoi, a spruzzo, che utilizzano spruzzatori e

“bubbler”, che usano diffusori di vario tipo per riempire piccole conche attorno a piante arboree. I gocciolatori (Figura 5.5) possono essere posti fuori terra, irrigazione a goccia di superficie, o interrati, irrigazione a goccia sottosuperficiale. Fra la categoria dei gocciolatori rientrano anche i microtubi ed i tubi disperdenti (forati o porosi).

Gli spruzzatori (Figura 5.5) possono essere statici o rotanti, con maggiore diffusione dei primi. La loro diffusione è dovuta al fatto che permettono una riduzione dell’adacquamento e la sua localizzazione; inoltre, rispetto ai gocciolatori, riducono i rischi di occlusione quando vi sono acque con caratteristiche non ottimali. Spruzzatori con elevato grado di polverizzazione (nebulizzatori) vengono usati nelle serre per effettuare irrigazioni climatizzanti.

Figura 5. 5: esempi di microirrigatori: a spruzzo e a goccia.

I gocciolatori erogano acqua in maniera puntiforme. Vi sono gocciolatori a lungo percorso, dai quali l’acqua fuoriesce dopo un percorso lungo, e gocciolatori ad orifizio, dai quali l’acqua fuoriesce attraverso più fori di piccole dimensioni. Le ali gocciolanti possono essere appoggiate al terreno oppure sui vasi o sospese a strutture portanti varie.

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5.5- Le Condizioni di Servizio. In questa parte si analizzano quali sono le condizioni minime di servizio che devono essere garantite per l’ottimale funzionamento della rete irrigua; per fare questo è necessario andare anche a valutare quali sono i sistemi di irrigazione principali che possono essere adottati. Le condizioni di servizio sono legati anche al metodo di irrigazione prescelto per le colture presenti; dall’analisi del Consorzio di Bonifica si prevedono tre tipologie di colture agricole seminative irrigue maggiormente diffuse:

 Mais: per la produzione di biogas, coltivate estensivamente sulla riva destra;

 Riso: un tempo presente, ora assente per mancanza di risorsa idrica;

 Colture Orticole: in particolar modo i pomodori, presenti in alcune zone;

sono le colture che si sono espanse sulla riva destra dell’Ombrone, nell’area agricola già irrigata, e per le quali sono previste tre tipologie differenti di irrigazione. Nel caso della coltivazione a riso l’utilizzo dell’acqua è di tipo statico: con essa andiamo a riempire le vasche, poi una volta raggiunto il livello ottimale ne andiamo, nei giorni successivi, a livellare le perdite dovute all’evapotraspirazione e alla percolazione in falda dell’acqua. Questo avviene in modalità differente mese per mese, e per esso non vi è bisogno di pressioni di servizio elevate ma solo tali da garantire l’arrivo di un certo volume d’acqua nel sito. Per le colture ortofrutticole si vanno ad utilizzare metodi di micro-irrigazione, i quali prevedono diverse tecniche, tutte contraddistinte dall’uso di erogatori di piccola portata, funzionanti a bassa pressione. Alle piccole portate si accompagna la localizzazione dell’adacquamento, ossia nella micro-irrigazione l’acqua viene distribuita a frazioni variabili della superficie coltivata. Per la maggior parte delle tecniche di micro-irrigazione necessitano di una pressione bassa, pari a:

p _. = 0,50 − 1,00 atm

Per le colture a mais per la produzione di biogas il metodo classico di irrigazione è quello ad aspersione, per il quale il funzionamento prevede la necessità di una pressione abbastanza elevata tale da garantire il getto d’acqua su una superficie congrua. Per questo si ha la necessitò di una pressione

p _. = 1,50 atm

Questa pressione non può essere garantita in quanto il livello statico dello sbarramento è di circa 12,40 metri sopra il livello medio del mare; bisogna subito far notare come, con una rete di distribuzione completamente a gravità, il rispetto delle condizioni siano particolarmente difficile, dato che la struttura si sviluppa su una superficie pianeggiante, ad una quota non molto differente dalla quota di presa, per cui le pressioni, anche realizzando strutture molto anti-economiche, non rispettano le condizioni minime standard; proprio per questo si è deciso di dotare il sistema di un impianto di rilancio. Attraverso l’impianto di rilancio si cerca di fornire una pressione, all’uscita della distribuzione, pari almeno a 20 m d’acqua, ossia circa 2,00 atmosfere. Se poi ciascun proprietario ha la necessità di avere delle pressioni maggiori, viene totalmente affidato ad egli, la possibilità di munirsi di impianti di rilancio booster oppure di vasche di raccolta delle acque, in modo da disconnettersi dall’impianto principale.

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5.6-La Turnazione e il Volume d’Adacquamento. Nella gestione di una rete irrigua d’acquedotto è difficile che la distribuzione avvenga erogando tutte le portate nei singoli comizi, ma vengono stabiliti, nella fase di gestione, dei turni di adacquamento al fine da garantire il pieno sfruttamento della risorsa da parte delle utenze. Spesso questi turni vengono variati in funzione anche delle precipitazioni sul territorio e dalla necessità che hanno di irrigare determinate zone rispetto ad altre; la loro variazione non è prevedibile per cui faremo solo delle ipotesi di base che ci permettano dimensionare il sistema nel modo migliore possibile. In questa fase i volumi di acqua giornaliera che devono essere distribuiti si ritrovano concentrati in un lasso di tempo inferiore alle 24 ore giornaliere; si parla di adacquamento come il singolo periodo di distribuzione delle risorse.

Con il termine volume di adacquamento si intende la quantità d’acqua che viene somministrata in un adacquamento; tale quantità può essere espressa come volume Va , in m³/ha, o come altezza d’adacquamento h_a in mm.

Si tratta, in definitiva, di somministrare in una irrigazione una quantità d’acqua tale che il contenuto idrico del terreno non superi la capacità di campo, la qual cosa comporterebbe perdite per percolazione profonda, e non scenda al di sotto dell’acqua facilmente disponibile, per evitare stress della coltura. In tal senso l’altezza o il volume d’adacquamento hanno il significato di altezza o volumi massimi ferma restando la possibilità di frazionarli in parti più piccole. Da un punto di vista teorico il valore dell’altezza d’adacquamento si trova passando per la capacità di campo del terreno θcc e del punto d’appassimento θpa :

h = f ∙ θ − θ ∙ p Nei metodi irrigui variamente localizzati si ha:

h = S

100∙ f ∙ θ − θ ∙ p

Dove fa è la frazione d’acqua che può essere assorbita senza stress dalla pianta, p è la profondità delle radici delle singole colture agricole e Sb è la superficie bagnata dal metodo irriguo. Questa è l’altezza d’adacquamento netta, per tenere conto dell’efficienza del metodo irriguo si introduce il PAE, ossia l’efficienza potenziale del metodo irriguo:

h = h

(PAE 100⁄ )

Il turno Ti è l’intervallo di tempo tra l’inizio di due adacquamenti consecutivi. Nei metodi tradizionali il turno, in giorni, si può determinare come:

T =h F

Dove Fi è il fabbisogno irriguo; questo ha significato di turno massimo. La modalità di programmazione dell’irrigazione vengono raggruppate in tre livelli:

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 Turno e volume fisso;

 Turno fisso e volume variabile;

 Turno e volume variabili.

Il turno fisso e volume fisso rappresenta il metodo di programmazione più utilizzato; prevede la somministrazione di un volume d’adacquamento fisso a turno fisso, ossia volume e turno non variano durante la stagione irrigua. Questo modo di irrigare è il più diffuso del mondo in quanto facilmente eseguibile; ha il problema di avere bassa efficienza fisiologica e idrologica, dovuta allo stress idrico dei periodi di maggiore consumo evapotraspirativo ed alla notevole incidenza delle perdite di acqua nei periodi di minore consumo.

Il turno fisso, combinato con volumi variabili, ove possibile è una strategia di programmazione facilmente adatta agli impianti per aspersione mobili o semoventi: se le movimentazioni possono avvenire secondo un turno fisso la gestione ne risulta notevolmente semplificata. Il miglioramento dell’efficienza è condizionato dalle modalità di stima del fabbisogno irriguo.

L’irrigazione a turno e volume variabili si può basare su una programmazione basata sul livello di deficit idrico del suolo. Secondo questa strategia l’acqua deve essere somministrata quando la sua riduzione nella zona occupata dall’apparato radicale ha raggiunto un dato livello soglia, tradizionalmente fisso per tutta la stagione irrigua. L’altro metodo è una programmazione integrata, basata sulla risposta produttiva della pianta all’irrigazione, sulle limitazioni del sistema irriguo, sulle modalità di gestione e sul reddito conseguibile con l’irrigazione.

Generalmente, al fine di semplificare il processo di gestione del sistema, si procede a una programmazione basata sul turno e sul volume fisso, dato che gli altri due metodi sono condizionati dalla presenza di tecnici specializzati che stabiliscono le reali esigenze di determinati comizi irrigui rispetto ad altri. Alla fine si considera tale metodo come quello di gestione effettivo in fase progettuale, dato che la fase di gestione è un problema che, allo stato attuale, non è prevedibile. Per lo studio consideriamo una condizione di questo tipo:

T = 48 h

Mentre la durata dell’adacquamento, indicata con di assume il seguente valore:

d = 2,5 h → 2 ore e mezzo

In questo modo i valori di portata media giornaliera per i mesi irrigui non hanno più valore, ma le portate addotte diventano quelle relative al volume d’acqua da somministrare fra due adacquamenti consecutivi diviso le ore di durata dell’adacquamento. Si fa notare come la turnazione non avviene seguendo i singoli comizi, ma garantendo l’acqua alle singole proprietà, quindi la scelta di tale turnazione è puramente indicativa. L’unico aspetto importante è che la portata media sia inferiore al valore massimo di portata che posso garantire.

5.7-La Progettazione della Rete di Distribuzione - Elaborazioni. L’elaborazione in questo ambito porta alla valutazione delle portate richieste per i singoli comizi, per cui si effettua un primo calcolo dovuto alle richieste attuali, quindi con le odierne colture agricole presenti, e

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verificare le portate, le velocità sulle tubazioni, e le pressioni in corrispondenza di ciascun nodo. Per la risoluzione della rete idraulica si è adoperato un programma di calcolo denominato EPANET.

Tale programma è scaricabile da internet ed è totalmente gratuito ed è sviluppato dalla United States Environmental Protection Agency (EPA) divisione per Fornitura Acqua e Gestione delle Risorse. Il programma EPANET realizza simulazioni estese al lungo periodo circa il comportamento idraulico e la qualità delle acque all’interno di un sistema di distribuzione in pressione. Esso è in grado di dare informazioni sulla portata d’acqua in ogni tubo, sulla pressione in ogni punto di intersezione fra più tubi, il livello raggiunto dall’acqua in ogni serbatoio e anche la concentrazione di una sostanza attraverso la rete di distribuzione idrica durante una simulazione.

Oltre alle concentrazioni delle sostanze, è anche possibile conoscere l’età dell’acqua circolante all’interno dell’acquedotto dal momento in cui è stata immessa; inoltre il programma non trascura fenomeni quali reazioni chimiche lungo le pareti dei tubi o all’interno del flusso stesso dovute al trasporto di massa. Tecnicamente il programma EPANET permette di strutturare file d’ingresso che descrivono la rete idrica e di effettuare simulazioni, di osservare il comportamento del sistema ad intervalli prefissati su di una mappa e riassumere i risultati ottenuti su tabelle e grafici. L’uso di EPANET è quindi estremamente utile per chi si occupi della gestione di una rete di distribuzione di acqua potabile; in questo ambito l’uso del programma si limitata alla sola analisi idraulica delle tubazioni, con calcolo delle portate e delle pressioni rispettivamente sui rami del sistema e sui nodi.

Un aspetto molto importante è la configurazione e la formazione del modello; nelle tavole allegate abbiamo riportato la denominazione dei nodi e delle tubazioni principali, dove, per ognuno, sono stati determinati i valori delle portate uscenti. Nella tabella seguente sono riportati i valori di tali portate, determinate in modo proporzionale alle ipotetiche aree del comizio servito; in poche parole, dalla richiesta irrigua originale del comizio irriguo esaminato, sono state individuate delle sotto-aree sulle quali sono state determinate le richieste irrigue in modo proporzionale alla superficie sottesa.

Tale valore è stato considerato come valore richiesto; per EPANET, il quale non conosce la possibilità di distribuzione continua sul percorso, si ipotizza la suddivisione della portata in due quote uguali nei due nodi adiacenti la condotta in questione. Alla fine ciò che muta è la variazione delle caratteristiche di moto sulla tubazione, ma a livello di equilibrio globale non crea nessuna differenza. Nela tabella 5.3 vengono riportate le suddivisioni delle portate su ciascun sotto-comizio, ossia delle zone di un singolo comizio irriguo che possono essere ridotte ad un punto di distribuzione; la richiesta viene ottenuta semplicemente sulla base dell’area che viene servita con quel punto. Ad esempio, con portata pari a 1,00 m³/s, sul comizio 1 otteniamo:

1a → 25,6 % → Q = 1,00 ∙ 25,6

100 = 0,256 m ⁄ s 1b → 14,6 % → Q = 1,00 ∙ 14,6

100 = 0,146 m ⁄ s 1c → 23,5 % → Q = 1,00 ∙ 23,5

100 = 0,235 m ⁄ s 1d → 23,6% → Q = 1,00 ∙ 23,6

100 = 0,236 m ⁄ s

172

1e → 12,7 % → Q = 1,00 ∙ 12,7

100 = 0,127 m ⁄ s

Questo è stato fatto per semplificare senza entrare nel dettaglio delle singole colture praticate; uno studio più dettagliato andrà fatto in un successivo calcolo d’affinamento.

Comizio Sotto-comizio Area Percent. Nodi d’Inserimento

Comizio Sotto-comizio Area Percent. Nodi d’Inserimento

mq % 1° 2° mq % 1° 2°

1

a 330.872 25,6 o10 -

10

c 120.926 11,9 o56 -

b 189.227 14,6 o11 - d 93.360 9,2 o57 -

c 304.003 23,5 o12 - e 110.960 10,9 o57 -

d 305.617 23,6 o13 o14 f 231.020 22,7 o58 -

e 163.982 12,7 o14 o15 g 209.703 20,6 o58 -

2

a 90.402 10,6 o3 -

11

a 244.118 15,6 o65 -

b 270.845 31,7 o1 o2 b 113463 7,3 o66 -

c 246.494 28,9 o4 o5 c 349.754 22,4 o67 o68

d 246.176 28,8 o6 o7 d 477.155 30,6 o67 o69

3

a 430.555 17,8 o17 o18 e 167.716 10,7 o72 -

b 283.434 11,7 o19 - f 208.034 13,3 o71 -

c 417.148 17,2 o21 -

12

a 180.819 20,9 o73 o79

d 513.302 21,2 o22 - b 153.020 17,7 o75 o77

e 365.572 15,1 o24 o25 c 80.894 9,3 o79 -

f 408.755 16,9 o27 o28 d 213.192 24,6 o76 -

4

a 97.062 5,2 n15 - e 238.949 27,6 o78 -

b 219.387 11,8 o32 -

13

a 347.074 23,4 o80 o81

c 197.210 10,6 o29-o30 n15 b 202.906 13,7 o81 o83

d 164.558 8,8 o29 n15 c 714.196 48,2 o81 o82

e 377.213 20,2 o31 o33 d 218.612 14,7 o84 o85

f 295.124 15,8 o30 -

14 a 410.258 38,9 o86 n48

g 229.122 12,3 o35 o36 b 643.603 61,1 n49-o87 n47-n48

h 120.895 6,5 n16 -

15

a 175.576 10,1 o89 -

i 162.695 8,7 n16 - b 204.294 11,8 o90 -

5

a 239.346 17,5 o45 o46 c 797.600 46,0 o92 -

b 417.247 30,5 o46 o47 d 371.942 21,5 o94 -

c 133.976 9,8 o48 - e 184.202 10,6 o96 -

d 579.625 42,3 o46 n31

16

a 527.873 32,1 o97 o98

6

a 116.247 12,9 n25 - b 324.562 19,7 o99 -

b 295.404 32,7 o37 - c 264.861 16,1 n54 -

c 229.636 25,4 o38 - d 219.897 13,4 o100 -

d 181.426 20,1 o39 - e 307.145 18,7 o101 -

e 80.182 8,9 o40 -

17

a 986.660 60,7 o102 -

7

a 299.110 48,1 o49 - b 414.476 25,5 o103 o105

b 209794 33,8 o50 - c 223.645 13,8 o104 -

c 112.421 18,1 o51 -

18

a 321.995 16,3 o106 -

8

a 40.984 5,5 n31 - b 149.720 7,6 o107 -

b 129.580 17,5 o60 o61 c 614.115 31,1 o110 -

c 134.859 18,2 o60 o62 d 278.600 14,1 o109 -

d 111.689 15,1 o63 n33 e 275.437 14,0 o108 o111

e 187.445 25,3 o60 o61 f 332.866 16,9 o112 -

f 135.832 18,3 o60 o62

19

a 167.035 16,2 o116 o117

9

a 158.414 31,6 o42 o44 b 170.105 16,5 o114 0

b 122.093 24,4 o42 o43 c 231.833 22,4 o115 -

c 220.426 44,0 n21 - d 198.029 19,2 o113 -

10 a 116.828 11,5 o53 o54 e 266.512 25,8 o118 -

b 135.752 13,3 o52 -

Tabella 5. 2: suddivisione delle richieste di portata sui nodi, proporzionalmente alle superfici agricole.

173

Secondo quanto abbiamo stabilito circa le condizioni del turno di adacquamento abbiamo le seguenti portate medi per ciascun comizio:

Comizi Irrigui

Fabbisogno Idrico Mensile (Luglio)

Portata Media Giornaliera

Volume d’Acqua Necessaria fra due Adacquamenti

Consecutivi

Portata Media durante l’Adacquamento

Fi Qmg Vadacq Qadacq Qadacq

m³ l/s l m³/s l/s

1 59.085 22,06 3.772.237 0,42 419

2 39.197 14,63 2.502.499 0,28 278

3 124.864 46,62 7.971.854 0,89 886

4 89.960 33,59 5.743.386 0,64 638

5 70.778 26,43 4.518.773 0,50 502

6 43.712 16,32 2.790.762 0,31 310

7 30.248 11,29 1.931.186 0,21 215

8 35.733 13,34 2.281.318 0,25 253

9 22.339 8,34 1.426.231 0,16 158

10 50.023 18,68 3.193.665 0,35 355

11 78.225 29,21 4.994.176 0,55 555

12 38.006 14,19 2.426.449 0,27 270

13 78.938 29,47 5.039.741 0,56 560

14 53.268 19,89 3.400.869 0,38 378

15 89.079 33,26 5.687.171 0,63 632

16 73.555 27,46 4.696.035 0,52 522

17 61.810 23,08 3.946.195 0,44 438

18 93.844 35,04 5.991.375 0,67 666

19 45.845 17,12 2.926.947 0,33 325

Totale 1.178.510 440,01 - - -

Tabella 5. 3: valori delle portate d'adacquamento, per ciascun comizio irriguo, per durata dell'adacquamento di 2h e 1/2, ogni 48 h.

Ad esempio, per il comizio irriguo 1 abbiamo ottenuto i dati nel modo seguente:

V _.= Q ∙ T = 22,06 ∙ 48 ∙ 3.600 = 3.772.237 l = 3.772,2 m

Q _. =V _.

d = 3.772.237

2,5 ∙ 3.600= 419 l s⁄

Bisogna sempre ricordarsi la portata massima distribuibile, che è di 1,00 m³/s, che è la massima sfruttabile, e per la quale abbiamo dimensionato il sistema di rilancio; quindi le richieste irrigue attuali sono sicuramente inferiori alla configurazione futura, dove si prevede uno sviluppo delle coltura agrarie verso fonti più redditizie e a consumo irriguo maggiore. Quindi nello stato attuale non è possibile che l’acquedotto possa entrare in crisi, dato che le richieste idriche sono nettamente inferiori rispetto al valore massimo di portata che può essere addotta, per cui riportiamo solo le verifiche per i comizi più estesi.

174

 Servizio al Comizio Irriguo 3, con portata defluente considerata su una durata d’adacquamento di 2h e 30m, intervallo d’adacquamento di 48h.

Portata erogata pari a Q = 885,76 l/s. Pompe funzionanti: 7, rilancio di 34 m; perdita Concentrata di 2,00 m. Carico Totale: 32,0 m. Decremento carico del 20% per perdite locali.

Figura 5. 6: fabbisogni idrici (in l/s) e diametri (in mm) con servizio al comizio irriguo 3.

Figura 5. 7: pressione dal suolo (in m) e velocità (m/s) per servizio al comizio irriguo 3.

D

⁵

D

⁷

n

⁴

D

⁸

D

^{1 0}

D

^{1 1}

D

^{1 2}

D

o⁵

E^{1 3} E^{1 2}

E^{1 4} E ^{1 5} E^{1 6}

E ^{1 7} E^{1 8}

E^{1 9}

E^{2 0}

E^{2 1}

E ^{2 2} E ^{2 3}

E^{2 4}

E^{2 5} E^{2 6}

n

⁷

n

⁶

n

⁸

n

⁹

n

^{1 0}

o^{1 6} o^{1 7} o^{1 8}

o^{1 9} o^{2 0}

o^{2 1}

o^{2 2}

o^{2 3} o^{2 4}

o^{2 5} o^{2 7}

o^{2 6}

o^{2 8}

1200

1200

1200 600

1200

1200 1200

277.2

277.2 277.2277.2

1200

600

600

1200

600

277.2

352.6 352.6

352.6 800

352.6

600

352.6

1200

1200 352.6

800

352.6 0

0

0 0

0

0 187.97

0

0

0 0

0

0

0

0

74.84 66.94

74.84 0

78.84

152.76

103.79

78.84

66.94 Base Demand

25.00 50.00 75.00 100.00 LPS

Diameter 600.00 1000.00 1200.00 1400.00 mm

Day 1, 12:00 AM

D

⁵

D

⁷

n

⁴

D

⁸

D

^{1 0}

D

^{1 1}

D

^{1 2}

D

o⁵

E^{1 3} E^{1 2}

E^{1 4} E ^{1 5} E^{1 6}

E ^{1 7} E^{1 8}

E^{1 9}

E^{2 0}

E^{2 1}

E ^{2 2} E ^{2 3}

E^{2 4}

E^{2 5} E^{2 6}

n

⁷

n

⁶

n

⁸

n

⁹

n

^{1 0}

o^{1 6} o^{1 7} o^{1 8}

o^{1 9} o^{2 0}

o^{2 1}

o^{2 2}

o^{2 3} o^{2 4}

o^{2 5} o^{2 7}

o^{2 6}

o^{2 8}

0.29

0.03

0.27 0.73

0.45

0.31 0.44

0.15

0.16 0.150.16

0.16

0.58

0.52

0.17

0.61

0.00

0.84 0.75

0.84 0.56

0.88

0.59

1.16

0.43

0.42 0.88

0.97

0.75 21.37

20.94

21.13 20.86

20.30

20.85 20.92

20.57

21.80

20.57 20.57

20.78

20.88

20.28

19.77

20.34 20.44

20.62 20.38

20.34

20.62

20.26

19.96

20.70 Pressure

5.00 10.00 15.00 20.00 m

Velocity 0.01 0.10 1.00 2.00 m/s

Day 1, 12:00 AM

175

 Servizio al Comizio Irriguo 4, con portata defluente considerata su una durata d’adacquamento di 2h e 30m, intervallo d’adacquamento di 48h.

Portata erogata pari a Q = 638,15 l/s. Pompe funzionanti: 5, rilancio di 34,5 m; perdita concentrata di 8,50 m. Carico Totale: 26,0 m. Decremento carico del 20% per perdite locali.

Figura 5. 8: fabbisogni idrici (in l/s) e diametri (in mm) con servizio al comizio irriguo 4.

Figura 5. 9: pressione dal suolo (in m) e velocità (m/s) per servizio al comizio irriguo 4.

D

⁹

D

^{1 4}

D

^{1 3}

D

⁶

D

^{1 5}

D

^{1 6}

D

^{1 7}

D

^{1 8}

D

E

^{2 7}

E

^{2 8}

E

2 9

E

3 0

E

3 1

E

^{3 2}

E

^{3 3}

E

3 4

E

^{3 5}

E

n

^{1 1}

n

^{1 2}

n

^{1 3}

n

^{1 4}

n

^{1 5}

n

^{1 6}

1 7

o

^{2 9}

o

^{3 0}

o

^{3 1}

o

^{3 2}

o

^{3 3}

o

^{3 4}

o

^{3 6}

o

^{3 5}

1200

1200

1200 1200

1200

352.6 1200

1200 352.6

1200

600 352.6

352.6 352.6 352.6

277.6

277.6

352.6 0

0

97.13 78.31

0 0

61.95

117.96

0

64.6

64.6 75.14

39.24

39.24 Base Demand

25.00 50.00 75.00 100.00 LPS

Diameter 600.00 1000.00 1200.00 1400.00 mm

D

⁹

D

^{1 4}

D

^{1 3}

D

⁶

D

^{1 5}

D

^{1 6}

D

^{1 7}

D

^{1 8}

D

E

^{2 7}

E

2 8

E

2 9

E

3 0

E

^{3 1}

E

^{3 2}

E

3 3

E

^{3 4}

E

^{3 5}

E

n

^{1 1}

n

^{1 2}

n

^{1 3}

n

^{1 4}

n

^{1 5}

n

^{1 6}

1 7

o

2 9

o

^{3 0}

o

3 1

o

^{3 2}

o

^{3 3}

o

^{3 4}

o

^{3 6}

o

^{3 5}

0.18

0.12

0.09 0.45

0.36

0.03 0.26

0.12 0.88

0.09

0.84 1.07

1.22 0.84 0.50

0.71

0.71

0.67 23.42

23.58

21.87 22.69

23.92 22.72

23.29

22.99

23.11

22.87

23.08 22.21

22.89

22.91 Pressure

5.00 10.00 15.00 20.00 m

Velocity 0.01 0.10 1.00 2.00 m/s

Day 1, 12:00 AM