Capitolo 1 : Inquadramento generale

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Capitolo 1 : Inquadramento generale 5

-Capitolo 1 :

Inquadramento generale

1.1 Il territorio servito

L’acquedotto oggetto del presente studio è localizzato nel comune di S. Maria a Monte, in provincia di Pisa.

Il territorio situato immediatamente a nord del fiume Arno, è caratterizzato da una conformazione mista tra pianure e colline con una superficie complessiva di circa 38.29 Kmq ed una popolazione all’anno 2005 di 11453 unità. Il punto più alto si trova ad una quota di 108.6 m s.l.m. mentre quello più basso è posto a 14.2 m s.l.m. La popolazione è suddivisa in più frazioni di cui Montecalvoli Basso, San Donato e Ponticelli, sono in pianura, mentre il capoluogo, Montecalvoli Alto e Cerretti si trovano in collina.

Gli agglomerati abitativi più importanti sono il capoluogo e la frazione di Montecalvoli Basso che, considerati unitamente, contano più della metà dei residenti complessivi. Le principali attività economiche svolte nella zona collinare sono rappresentate da piccoli insediamenti agricoli impegnati nella viticoltura e nell’olicoltura, e da attività artigianali spesso a conduzione familiare; nella parte pianeggiante del territorio è invece praticata una agricoltura a carattere intensivo ed è presente un’area industriale facente parte del più ampio complesso della Zona del cuoio che comprende anche le aree industriali dei comuni di Castelfranco di Sotto e Santa Croce. Le industrie presenti sono in genere di dimensioni medio - piccole e sono affiancate da attività impegnate nel campo dei servizi.

Particolare importanza riveste la strada provinciale Francesca, che rappresentando una importante arteria di collegamento tra la città di Pontedera e l’area del cuoio ha permesso lo sviluppo del tessuto urbano limitrofo, generando un continuo aumento della richiesta idrica. Di seguito è possibile vedere l’immagine satellitare delle zone

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-più densamente abitate del comune:

Figura 1-1 : foto satellitare del territorio comunale

1.2 L’acquedotto del comune di S. Maria a Monte

L'acquedotto di Santa Maria a Monte, è gestito dai primi anni Novanta dalla società Acque S.p.a. con sede a Pisa ed è integrato nell A.T.O. 2 (Autorità di Ambito territoriale Ottimale bassa Val d’Arno). Esso comprende opere di presa, adduzione, compenso e distribuzione d'acqua potabile per l'alimentazione della quasi totalità del territorio comunale ad eccezione delle frazioni di Montecalvoli Alto, che utilizza un proprio sistema acquedottistico, e delle località di Tavolaia e Le Pianore che sono collegate ad altre reti. Gli utenti serviti all’anno 2005 sono 10761 su11453 abitanti

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-totali del comune, suddivisi in maniera uniforme tra la parte collinare e quella di pianura.

1.2.1 Le opere di presa e trattamento

Il sistema di presa è costituito da una serie di 25 pozzi che, tramite elettropompe sommergibili, attingono acqua dalla falda freatica in località Cerbaie nel comune di Bientina (Pi). Tale campo acquifero, in attività da più di 40 anni, oltre a soddisfare la domanda del territorio in esame alimenta gli acquedotti di altri comuni vicini.

Nel corso degli anni la crescita del fabbisogno idrico per uso potabile e per le attività economiche funzionali allo sviluppo dei centri abitati unite ad il mancato rinnovamento delle reti di distribuzione con conseguente aumento delle perdite, hanno comportato un continua correzione in rialzo delle dotazioni idriche generando un aumento dell’attività di estrazione che ha raggiunto livelli elevati come riportato nel grafico sottostante:

D.ACQUEDOTTO - PORTATA MEDIA ANNUA SOLLEVATA ACQUEDOTTI CERBAIE ANNI 1998-2002 E PORTATA MEDIA MENSILE ANNI 2003-2004 -2005-2006

Q.2003 = 631,28 L/s. ( 19.905.118 Mc ) Q.2004 = 636,62 L/s. ( 20.131.768 Mc ) Q.2005 = 613,55 L/s. ( 19.348.901 Mc ) 631.7 603.6 651.3 637.7 616.1 619.2 597.6 651.8 643.5 628.0 633.4 569.7 574.5 628.5628.4623.6 626.9 624.7 620.3 610.8 620.3 657.1 669.0 655.2 639.7 666.0 632.4 620.0 617.3623.5 602.4 585.7 604.1 625.3 634.3 586.9 627.5 615.1 622.1 619.5 628.1 620.7 604.5 595.0 615.2 626.8 640.6 640.0 599.4 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 M E D IA 1 9 9 8 M E D IA 2 0 0 0 M E D IA 2 0 0 2 F E B B R A IO A P R IL E G IU G N O A G O S T O O T T O B R E D IC E M B R E F E B B R A IO A P R IL E G IU G N O A G O S T O O T T O B R E D IC E M B R E F E B B R A IO A P R IL E G IU G N O A G O S T O O T T O B R E D IC E M B R E F E B B R A IO A P R IL E G IU G N O A G O S T O

PERIODO : ANNI 1998 - 2002 - GENNAIO ---- DICEMBRE - 2003 - GENNAIO - DICEMBRE 2004 - GENNAIO - DICEMBRE 2005 - AGOSTO 2006

L IT R I / S E C O N D O Figura 1-2

In conseguenza dell’eccessivo sfruttamento a cui stata è sottoposta la risorsa idrica si è avuto un progressivo abbassamento del livello statico della falda ed un conseguente accentuarsi del fenomeno della subsidenza.

Allo scopo di non peggiorare la situazione e di non danneggiare irrimediabilmente la risorsa, l’ente gestore sta seguendo una politica tesa a diminuire l’estrazione.

La mancata fornitura d’acqua è compensata dallo sfruttamento di nuove sorgenti di più modesta capacità e dal potenziamento di altre già in servizio in modo da diversificare le fonti di approvvigionamento e di garantire comunque il fabbisogno.

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-In futuro, l’acquifero andrà ad alimentare soltanto l’acquedotto di S. Maria a Monte e attraverso il serbatoio situato in località Montecchio, parte dell’acquedotto di Pontedera.

Negli ultimi due anni a seguito della diminuzione dell’estrazione si è avuto un assestamento delle oscillazioni del livello della falda tra un valore massimo di 8.5 m al di sotto del piano di campagna nei mesi invernali, ed uno minimo di 9.5 m in primavera quando si ha generalmente la ricarica delle falde acquifere.

Dai pozzi l’acqua viene spinta dentro due vasche di accumulo e trattamento denominate Centrale 1 e Centrale 2, mediante un sistema di condotte e saracinesche che consentono di deviare la portata sollevata verso la vasca che al momento presenta un valore eccessivamente basso del livello liquido.

È in oltre possibile, in caso di necessità, attingere acqua dai pozzi situati nelle località Le Fontine e Tavolaia .

L’attività di estrazione è regolata tramite un sistema di controllo tarato sul livello liquido raggiunto nelle due vasche garantendo, in questo modo, un utilizzo flessibile e meno intensivo delle pompe di sollevamento.

Attualmente i pozzi attivi che alimentano la Centrale 1 sono 12; i rimanenti o approvvigionano la Centrale 2 o sono scollegati.

Dopo aver subito i trattamenti necessari l’acqua passa nelle vasche sollevamento da dove, mediante l’utilizzo di pompe, viene immessa nella rete d’adduzione.

La Centrale 1, attraverso due adduttrice indipendenti tra loro alimenta S. Maria a Monte e il serbatoio in località Montecchio.

La forma della vasca è rettangolare con dimensioni interne in pianta di 15 m per 9 m

ed una altezza utili di 3 m; il suo volume utile risulta quindi di 405 m3.

1.2.2 Il sollevamento

Il dislivello geodetico che deve essere superato per rifornire il territorio in esame, è pari alla differenza tra la quota del serbatoio di arrivo, posizionato in località San Sebastiano a circa 105 m s. l. m, e la quota della stazione di sollevamento posta a 8.6 m s.l.m.

105 8.6 96.4

g

H m m m

∆ ≃ − =

Recentemente sono state installate sei pompe centrifughe multistadio ad asse verticale tipo CR 64-8-1 della ditta Grundfos, posizionate in parallelo, le cui

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-cratteristiche principali sono:

• Velocità della girante della pompa: 2961 rpm • Portata nominale : 17. 879 l/s

• Prevalenza nominale : 181 m

Delle sei pompe una è mantenuta come riserva mentre le altre sono settate in funzione del livello liquido nel serbatoio di testata delle rete di distribuzione in modo tale da razionalizzarne l’utilizzo in funzione della richiesta d’acqua secondo lo schema seguente:

Livello sul fondo del serbatoio (m)

Marcia Arresto Pompa n° 1 1. 8 2. 3 Pompa n° 2 1. 8 2. 3 Pompa n° 3 2. 1 2. 5 Pompa n° 4 2. 1 2. 5 Pompa n° 5 2.00 2. 45 Tabella 1-1

Tutto l’impianto è gestito tramite il sistema di telecontrollo e telecomado che permette di tener conto di tutte le condizioni reali e di quelle di previsione.

1.2.3 L’adduzione

La condotta di adduzione è stata realizzata alla fine degli anni Cinquanta e non più modificata. Costituita da tubi in acciaio non rivestito, ha una lunghezza L=3950 m,

un diametro nominale costante DN 250 ed un diametro interno Di = 260.4 mm.

1.2.3.1 Determinazione della scabrezza dell’adduttrice

Per poter costruire un modello idraulico del sistema di sollevamento, adduzione, compenso, che abbia un comportamento simile a quello reale è necessario conoscere lo stato della condotta di adduzione attraverso una stima del valore attuale del coefficiente di scabrezza. Dalla teoria sappiamo che l’impianto di sollevamento deve garantire una prevalenza a valle tale da superare la somma tra il

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-dislivello geodetico, le eventuali perdite di carico concentrate e quelle distribuite lungo la premente:

H

= ∆ +

H

g

∆h

Dove : ∆Hg =96.4m

∆ =h

∑

(Hdist +Hconc) somma delle perdite concentrate e distribuite

Poiché siamo nel caso di lunga condotta possiamo trascurare le perdite di carico concentrate. Per il calcolo delle perdite di carico distribuite si é ricorso alla formula di Hazen-Williams in base alla quale si calcola la pendenza della piezometrica in funzione del diametro interno della condotta, della lunghezza e della scabrezza:

dist

h

H

JL

∆ ≈

=

4.1575 54545 10.875 Q J C D = H-W

Dal manuale della casa costruttrice, conoscendo la curva caratteristica di ciascuna pompa in parallelo e nota la portata complessiva sollevata si può determinare la prevalenza H che l’impianto di sollevamento è in grado di fornire:

74.75l

Q

s

= portata massima attuale nella premente

Figura 1-3: curva caratteristica interna

Da cui si ricava:

198

g _dist

H

≈ ∆ +

H

≈

m

Le perdite di carico distribuite assumono il valore di:

198

96.4

101.6

dist

H

=

m

−

m

=

m

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-0.002572

dist

H

J

L

=

Nella formula di Hazen-Williams l’unica incognita rimanente e la scabrezza C che assume un valore pari a 67.

Il basso valore che abbiamo ottenuto, sta ad indicare il cattivo stato della condotta in esame, come del resto atteso vista l’età dell’impianto.

1.2.4 Il serbatoio di San Sebastiano

In testata alla rete di distribuzione in località San Sebastiano, nei pressi del capoluogo, troviamo un serbatoio seminterrato di forma circolare avente un’unica camera del diametro interno di 16 m.

L’altezza utile della vasca è di 3 m, dopodichè si ha lo sfioro dell’acqua. Il suo

volume utile risulta quindi di circa 603 m3. Il fondo della vasca è a quota 105 m s.l.m.

mentre il piano di campagna si trova a 107.85 m.

Serbatoio seminterrato loc. San Sebastiano

Figura 1-4 : planimetria della zona di ubicazione del serbatoio

Il ruolo del serbatoio è quello di effettuare la compensazione giornaliera delle portate in uscita rispetto a quelle in entrata.

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-serbatoio e collegando direttamente l’adduttrice con la rete di distribuzione tramite un circuito idraulico appositamente predisposto nella camera di manovra. L’adduttrice esterna entra nella camera di manovra ed alimenta attraverso un collettore, con saracinesche di sezionamento, la vasca.

L’immissione, avvenendo dall’alto, disconnette idraulicamente l’adduttrice dalla rete impedendo alle variazioni giornaliere di livello nel serbatoio, di influenzare il comportamento della premente.

La rete viene alimentata tramite dei collettori con saracinesche di sezionamento dal fondo della vasca.

Nella figura sottostante è riportato schematicamente il funzionamento del serbatoio:

Figura 1-5: schema di funzionamento del serbatoio

Vicino al serbatoio interrato è presente un serbatoio pensile con un volume di circa

50 m3 ed un altezza sopra al piano di campagna di 15 m.

Originariamente esso era collegato all’interrato tramite un sistema di sollevamento meccanico e serviva come volume di compenso per la rete che riforniva le abitazioni vicine al serbatoio e che trovandosi alla stessa quota dell’interrato, non potevano essere rifornite per gravità da questo ultimo.

Con l’incremento urbanistico nella parte collinare ed il conseguente aumento dei consumi è stato necessario ampliare la rete di distribuzione originaria andando a raggiungere zone poste a notevole distanza e a quote maggiori.

Il serbatoio pensile ha di conseguenza, perso il suo ruolo originale, essendo praticamente inutile un volume di compenso di così modesta entità. È stato quindi trasformato in cassa d’aria a servizio del nuovo e più potente impianto di sollevamento.

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-Attualmente, a seguito del riscontro di alcuni problemi strutturali, è scollegato dalla rete ed è in attesa di demolizione.

Il serbatoio interrato oltre ad avere una uscita verso la zona collinare, alimenta a gravità per mezzo di due condotte, la prima in ghisa e la seconda in acciaio, la parte bassa del comune.

Esiste infine un’ultima condotta in fibrocemento con diametro nominale DN 200 che va a rifornire con una portata media costante di circa 16 l/s il pensile n° 1 dell’acquedotto di Castelfranco di Sotto.

È quindi possibile, dal punto di vista idraulico, separare la rete alta da quella bassa e parlare di conseguenza di un distretto alto e di un distretto basso che, come si vedrà nel seguito, presentano problematiche diverse.

1.2.5 La rete di distribuzione

1.2.5.1 Il distretto alto

La rete di distribuzione che troviamo nel distretto alto è di tipo ramificato o aperto e, poichè si hanno zone a quota superiore di quella del serbatoio si rende necessario l’utilizzo di un sistema di sollevamento meccanico costituito da due pompe poste in parallelo di cui una di riserva all’altra, dotate di inverter.

Le pompe adottate sono del tipo SP 77-3. si tratta di una pompa sommersa multistadio con velocità di rotazione della girante variabile le cui caratteristixch3 principali sono:

• Velocità pompa: 2900pm • Portata nominale : 21. 391 L/s • Prevalenza nominale : 37 m

Se si escludono le aree servite dalla rete originaria, come ad esempio il capoluogo, dove possiamo ancora trovare tratti di tubazioni in ghisa ed in acciaio non rivestito, le condotte di alimentazione principale, di più recente messa in opera, sono quasi esclusivamente in polietilene ad alta densità (pead). Ultimamente nei lavori di

Figura 1-6 : curva caratteristica interna

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-adeguamento e manutenzione, sono stati utilizzati anche il pvc e la ghisa sferoidale per le ottime prestazioni raggiunte da questo materiale. Per quanto riguarda i diametri nominali massimi si hanno DN110 per il pead, DN100 per l’acciaio, DN100 per la ghisa. Il materiale adoperato per le tubazioni della distribuzione terziarie sono in genere in acciaio bitumato o in pead.

Il valore della pressione nominale (pn) assunto nella scelta dei diametri è pari a 10.

1.2.5.2 Il distretto basso

La rete di distribuzione del distretto basso è in parte di tipo chiuso o anellata e in parte di tipo aperto o ramificata.

L’alimentazione che avviene esclusivamente per gravità, è garantita da due condotte: l’una in acciaio con diametro nominale DN150, l’altra in ghisa sferoidale DN150 che dal serbatoio con percorsi diversi convergono al nodo posto in località Via della Costa denominato Pozzettone posto ad una quota di 17 m s.l.m. con quindi un dislivello di circa 80 m rispetto al serbatoio. Tale nodo riveste particolare importanza in quanto rappresenta il punto di ingresso alla rete magliata e fornisce il carico necessario all’erogazione dell’acqua.

In uscita dal Pozzettone troviamo:una condotta alimentatrice e distributrice in fibrocemento DN100 verso la frazione di Montecalvoli basso, una condotta distributrice che alimenta parte della frazione di Ponticelli in acciaio DN 65 ed un’ultima condotta alimentatrice e distributrice sempre in acciaio DN100 che è parte integrante dell’anello. La pressione nominale adottata e pari a 16 bar. A valle del Pozzettone sulle condotte verso Ponticelli è stata posta in opera nella primavera 2006 una valvola di mantenimento di pressione automatica tipo clayton modello 92-01 della ditta Raci con doppio pilota, avente un DN 100 ed una pn25 bar. La valvola riduce la pressione di entrata ad una più bassa e costante pressione di valle indipendentemente dalle variazioni di portata e pressione in entrata per mezzo di un circuito pilota.

La diminuzione di pressione di esercizio nelle ore notturne quando i consumi sono bassi diminuisce la possibilità che si abbaino rotture, assai frequenti in questa zona per il cattivo stato in cui si trovano le tubazioni soprattutto quelle in acciaio tra le prime ad essere poste in opera. La clayton ha attualmente una doppia taratura: una notturna 23.00 – 6.00 con pressione a valle pari a 1.8 bar ed una diurna 6.00 –

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-11.00 con pressione di 3.0 bar.

Nella rete sono presenti altre due clayton; la prima si trova a Montecalvoli basso sulla condotta in fibrocemento sopra menzionata ed analoga alla precedente con un settaggio pari 2.0 bar dalle 23.00 alle 6.00 e di 2.7 bar nell’intervallo 6.00 – 23.00, mentre la seconda si trova in località Cardeto a rinforzo della zona industriale.

Quest’ultima prende acqua dalla tubazione in fibrocemento DN200 che dal serbatoio di S. Maria a Monte va verso il pensile 1 di Castelfranco di Sotto. Al contrario delle precedenti è una DN50 con pressione nominale 25 e regolata a 1.9 bar 6.00 – 23.00, 2.15 bar 23.00 – 6.00. CP CP CP CP MP DN 150 MAN MAN VS VRP VRP FILTRO

Figura 1-7 : schema di funzionamento della clayton

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-La zona più importante da servire sia come numero di residenti che come posizione è Montecalvoli Basso e tutta la parte a sud del canale Usciana dove si riscontrano nelle ore di massimo consumo, problemi di pressione, non sempre adeguata al servizio minimo da fornire.

Di seguito riportiamo lo schema funzionale della rete nei suoi aspetti più significativi:

P P P P P P P Serbatoio Stazione di sollevamento Fraz. di Cerretti Loc. Melone Distretto alto Distretto basso Pensile Castelfranco di Sotto Pozzettone Zona ind. DN200 FC DN100 FC DN250 AC D N 1 5 0 A C D N 1 5 0 G H DN110 PEAD D N 1 0 0 A C

Figura 1-9 : schema di funzionamento dell’acquedotto

1.3 Telecomando e telecontrollo

Agli impianti di telecontrollo introdotti in questi ultimi anni nella gestione dei sistemi acquedottistici è affidato il compito di effettuare automaticamente gran parte delle manovre e dei controlli un tempo eseguiti manualmente dal personale di servizio. Ciò è particolarmente utile nelle reti munite di apparecchiature elettriche o elettromeccaniche disseminate in vasti territori che richiederebbero la presenza fissa o saltuaria del personale di sorveglianza. In questo modo si ottiene una migliore esecuzione dei comandi e dei controlli dovuta all'impiego dei programmi applicativi del computer e alla centralizzazione di tutte le operazioni dell'esercizio.

Anche la supervisione degli impianti, che in molti casi deve comunque essere effettuata dal personale di servizio, viene resa più agevole non solo a seguito della citata centralizzazione di tutti i segnali e dei comandi ma anche per la possibilità di avere a portata di mano molteplici dati di funzionamento e di verificare in tempo reale l'esito delle manovre, le conseguenze reali dei disservizi, etc. Per quanto riguarda

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-l'impiego di personale si può dire che l'avvento del telecontrollo ha ridotto il numero degli addetti richiedendo d’altra parte, una maggiore specializzazione. In altri termini nei moderni acquedotti poche persone qualificate possono tenere sotto controllo un vasta rete acquedottistica con buoni risultati sia in termini di qualità del controllo che di rapidità di intervento in caso di bisogno. Ciò che è importante sottolineare sono le profonde trasformazioni che la rete acquedottistica deve subire nella sua costituzione di base a seguito dell'avvento dell'impianto di telecontrollo.

Le possibili innovazioni riguardano in particolare:

· le centrali di sollevamento che non dovrebbero essere più equipaggiate di molteplici pompe a prevalenza e portata fissa bensì di poche macchine a giri variabili con asservimento della velocità e quindi della portata e della pressione alle esigenze effettive dell'utenza definite in tempo reale e in modo automatico dal sistema;

· la rete di distribuzione a pressione variabile adeguata costantemente al fabbisogno istantaneo dell'utenza e che grazie alle nuove caratteristiche costitutive e di esercizio, garantirebbe risultati ottimali sia in termini di consumi energetici che dimensionamento delle condotte.

1.4 I problemi della rete attuale

I problemi riscontrati all’interno della rete sono legati principalmente al cattivo stato in cui si presentano molti tratti di tubazione ormai in servizio da decenni. Nel distretto basso, in particolare, a causa delle elevate pressioni che si raggiungono in alcuni punti nelle ore notturne, le condotte sono soggette a frequenti rotture con conseguenti sprechi considerevoli di acqua.

Per l’impossibilità economica di sostituire tratti così ampi della rete, l’ente gestore ha cercato di riequilibrare le pressioni di consegna che, essendo funzione della portata consumata, variano in continuazione facendo di conseguenza variare anche la portata della fughe d'acqua secondo le leggi della foronomia.

Ovviamente é stata fatta una contemporanea ricerca e riparazione di tutte le perdite occulte.

Rimangono comunque irrisolti gran parte dei problemi strutturali della distribuzioni, rappresentati da una scarse efficienza della rete .

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-presentando lungo il percorso prese d’utenza, non sono in grado di garantire una pressione uniforme sul territorio e nell’arco del giorno. Infatti, durante le ore notturne, a seguito della diminuzione dei consumi si hanno nella rete di distribuzione, pressioni elevate, mentre nelle ore di massimo consumo le eccessive perdite di carico nelle alimentatrici principali a seguito dei prelievi, non consentono di avere pressioni adeguate in molte zone servite.

I maggiori problemi si hanno nella frazione di San Donato, nel distretto basso, dove, nelle ore di punta giornaliere i valori di pressione sono eccessivamente bassi, dell’ordine di 0.7-0.8 bar.

In situazioni del genere, l’utenza ricorre spesso all’utilizzo di autoclavi.

In alcune località del distretto alto si hanno al contrario pressioni troppo elevate dell’ordine di 10 bar legate al fatto che la quota delle zone servite può ridursi a valori minimi di circa 14 m s.l.m. con un dislivello di circa 90 m rispetto al serbatoio al quale va aggiunto il carico delle pompe del sollevamento.