Contenimento e rimozione dell’interrimento negli invasi artificiali. Studio di un intervento realizzato sul bacino di Sampeyre (CN)

  
 
 
 
 
 
 
 
 
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INTRODUZIONE 
Verso la metà del secolo scorso in Europa, ma anche nel resto del mondo, 
si è verificato un grande incremento del numero di dighe, in particolare tra 
gli anni ‟50 e‟70, come conseguenza dell‟aumento dell‟utilizzo della 
risorsa idrica sia dal punto di vista idroelettrico che da quelli industriale ed 
agricolo. Tale crescita è comprovata da numerosi studi statistici, un 
esempio dei quali è riportato in Figura A e Figura B. Inoltre, da essi, si può 
osservare, che l‟andamento nel tempo di questa risorsa segue una tipica 
curva logistica, anche detta “curva ad S” che è caratteristica dei processi di 
saturazione. La curva evidenzia un periodo di lenta crescita seguito da un 
forte incremento che si è poi ridotto nell‟ultimo ventennio. 
In realtà, è impossibile stimare se la quantità di volume di invaso ancora 
utilizzabile attraverso la costruzione di nuove dighe si sia percettibilmente 
ridotta rispetto all‟inizio del secolo scorso, ma si può affermare che, se essa 
risulta probabilmente ridotta di una quantità non significativa a livello 
planetario, in alcune regioni del mondo si è ormai annullata da diversi anni. 
Questa condizione, vera soprattutto in Europa , ma più in generale, nei 
paesi sviluppati, è provocata principalmente, più che da limiti fisici, da 
vincoli di tipo sociale ed ambientale posti alle nuove costruzioni, 
 
 2 INTRODUZIONE 
 
Figura A: Numero di nuove dighe costruite nel mondo 
 
Figura B: Numero di nuove dighe costruite in Europa 
 3 INTRODUZIONE 
il cui soddisfacimento comporta un innalzamento dei costi che le rende di 
fatto economicamente poco convenienti. 
Va aggiunto, inoltre, che nei paesi di recente industrializzazione, quali, ad 
esempio, l‟India e la Cina, l‟utilizzo dei siti più favorevoli è già molto 
avanzato, dunque è ragionevole pensare che, sia pure con qualche ritardo, 
anche altrove sia inevitabile il processo di saturazione descritto. 
Quanto appena detto porta alla considerazione che diventa di notevole 
importanza l‟attenzione che richiede il problema della sedimentazione dei 
serbatoi (l‟insidia solida che preoccupava gli ingegneri idraulici italiani già 
nel periodo d‟oro dello sviluppo idroelettrico nel nostro paese), che ha 
estensione planetaria, pur presentando aspetti differenti a seconda delle 
caratteristiche idrologiche e climatiche e delle condizioni economiche e 
sociali di ciascun paese. Occorre infatti tenere presente che, da questo 
punto vista, la situazione dei paesi a clima temperato è migliore di quella 
dei paesi il cui clima è caratterizzato da forti processi erosivi, come quelli 
tropicali che, per le minori disponibilità economiche, hanno sviluppato 
finora in misura modesta le infrastrutture per la raccolta dell‟acqua. 
Se per questi ultimi diventa prevalente la necessità di costruire nuove 
dighe, nei paesi industrializzati, in cui come detto i siti potenzialmente 
utilizzabili sono praticamente esauriti, diventa fondamentale la 
conservazione della capacità d‟invaso e, dove possibile, il recupero dei 
volumi perduti a causa dell‟interrimento.  
Va ribadito anche in questa sede, come già osservato da numerosi autori, 
che la capacità d‟invaso rappresenta una risorsa moderna, costosa e non 
rinnovabile che richiede in ogni caso un‟attenta politica di gestione. Infatti 
anche nei paesi in via di sviluppo, il costo di recupero di un metro cubo 
d‟invaso annullato dall‟interrimento tende ad essere paragonabile al costo 
di un metro cubo creato per mezzo di una nuova diga. Per questo motivo è 
 4 INTRODUZIONE 
divenuta di grande attualità la riconsiderazione ex-novo della gestione dei 
sedimenti intercettati dai serbatoi, tanto in progetto che già costruiti, 
tenendo conto delle nuove condizioni al contorno che si stanno delineando. 
Importante è, anche, non trascurare il fatto che l‟interrimento dei serbatoi 
stia modificando in misura rilevante il bilancio dei sedimenti in gran parte 
dei bacini idrografici del mondo, con possibili gravi conseguenze 
soprattutto a lunga scala temporale. Per questa ragione è fondamentale 
assicurarsi che lo sbarramento non penalizzi il processo di ripascimento 
dell‟alveo fluviale e che, al tempo stesso, la regolazione operata sulla 
dinamica dei sedimenti, al pari di quella sul deflusso idrico, non produca 
danni di livello inaccettabile sull‟ecosistema fluviale e sulla fruibilità 
paesaggistica e sociale dello stesso. 
In particolare, la modifica delle naturali dinamiche del trasporto solido, 
oltre a limitati fenomeni erosivi locali, possono indurre conseguenze 
difficili da prevedere. Esemplificativo in tal senso è uno studio condotto 
sul fiume svedese Osterdalalven (Dutto, 2004), nel quale è riportato come 
in circa cinquant‟anni di regolazione fluviale, operata per mezzo di 6 dighe 
poste in serie, si sia osservato un aumento, anziché una riduzione, dei 
fenomeni di sedimentazione a valle. Si è ipotizzato che tali effetti siano 
dovuti all‟accumulo del materiale solido trasportato durante le condizioni 
di regime del corso d‟acqua. Gli eventi di piena durante le quali vengono 
aperte le paratoie di ritenuta, risultano pertanto in grado di movimentare 
una maggior quantità di materiale fine, grazie a correnti ad alta 
concentrazione che lo trasportano più a valle rispetto alle usuali aree di 
sedimentazione. 
 5 INTRODUZIONE 
 
Figura C: Trasporto solido notevole presso la diga delle Tre Gole sullo Yangtze (Cina) 
A dimostrare l‟importanza dell‟argomento si può citare che nel corso del 
terzo World Water Forum svoltosi a Kyoto nel Marzo 2003, una speciale 
sessione è stata dedicata al tema: 
≪Sfide poste dalla gestione dei sedimenti per l’uso 
sostenibile dei serbatoi≫ 
I principali messaggi emersi da questa sessione possono essere riassunti nei 
due seguenti punti: 
 nel XXI secolo si dovrà concentrare l‟attenzione sulla gestione dei 
sedimenti con l‟obiettivo di trasformare l‟elenco attuale di serbatoi 
a vita limitata in infrastrutture durature, utilizzabili dalle future 
generazioni; 
 6 INTRODUZIONE 
 la comunità scientifica dovrà adoperarsi per individuare soluzioni 
in grado di conservare le capacità di invaso esistenti, in modo che 
le loro funzioni possano essere esercitate il più a lungo possibile ed 
eventualmente per sempre. 
Il nostro paese ha risposto a quanto suggerito dal forum citato, 
prescrivendo al concessionario, di redigere un progetto di gestione degli 
invasi, volto ad assicurare il mantenimento o il ripristino della capacità del 
serbatoio. 
Vale la pena di specificare che in realtà i comportamenti idrodinamici 
sfruttabili allo scopo, sono ben noti ed accreditati tecnicamente su vasta 
scala ed attengono, come si vedrà nel cap. 3, ad interventi quali la 
fluitazione e le correnti di densità indotte, così come i principali risvolti 
idrologici ed ambientali sono conosciuti a sufficienza per consentire la 
definizione di adeguate regole operative nei singoli e specifici impianti. 
Tuttavia, un considerevole perfezionamento tecnico può essere atteso 
mediante l‟elaborazione dei risultati sperimentali e soprattutto con l‟ausilio 
di strumenti di modellazione sia fisica che matematica. 
Il concetto stesso di gestione di un serbatoio dal punto di vista del 
mantenimento o del ripristino della sua capacità di invaso è stato soggetto 
negli ultimi anni ad una profonda revisione: 
 fase iniziale di sviluppo: il criterio progettuale era quello di stabilire 
per ciascun serbatoio la durata di vita utile, basata sostanzialmente 
sulla stima del tempo di riempimento; fissata la durata di vita utile, 
l‟impianto era finanziato, progettato, costruito e mantenuto per 
detto periodo di tempo senza particolari preoccupazioni per cosa 
sarebbe accaduto al termine del periodo stesso, disinteressandosi, in 
 7 INTRODUZIONE 
altre parole della dismissione dell‟impianto che viene totalmente 
demandata alle generazioni future; 
 nuovo concetto dell’equità intergenerazionale: strettamente legato 
all‟idea di sviluppo sostenibile, il quale richiede che qualsiasi 
risorsa naturale debba essere utilizzata equamente da tutti i membri 
della società, incluse le future generazioni. 
Il nuovo approccio implica che il criterio di progettazione basato sulla vita 
utile dell‟impianto, andrebbe sostituito da uno basato sul suo ciclo di vita il 
quale, in linea di principio, dovrebbe essere perpetuo. Anche se, in pratica, 
il ciclo di vita ottimale di un serbatoio si rivela in molti casi di durata 
finita, l‟utilizzazione di quest‟ultimo criterio comporta comunque una certa 
dilatazione dei tempi per i quali è necessario tenere sotto controllo il 
funzionamento dell‟impianto. 
Nel seguito del presente lavoro ci si propone di presentare lo stato della 
conoscenza e dell‟arte in merito alle problematiche esposte fin qui ed 
all‟applicazione dei criteri di spurgo ed analisi effettuabili sui dati 
sperimentali, con particolare riferimento alle metodologie adottate nel 
corso del 2004 sul bacino di Sampeyre in provincia di Cuneo, per il quale 
si predispone anche un esempio di simulazione matematica. Va detto per 
completezza che, seppur si analizzi questo specifico intervento, i gestori 
degli invasi ne effettuano di simili ogni anno: di esempio sono i 
provvedimenti adottati sul bacino di Fortezza in provincia di Bolzano, oltre 
a quelli eseguiti ad Alpe Cavalli in Piemonte e sull‟invaso della Camastra 
in Basilicata. 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. IMPIANTI 
IDROELETTRICI 
Le derivazioni d‟acqua dai corsi idrici superficiali, possono essere definite, 
nel senso più generale possibile, come quelle opere atte a sottrarre, da un 
ambiente naturale adatto, una certa portata in vista del suo impiego per 
determinati scopi quali l‟uso irriguo, quello potabile, la generazione di 
energia elettrica o la costruzione di vie d‟acqua navigabili. Tra le 
utilizzazioni citate lo scopo idroelettrico è quello più interessante poiché 
presenta la particolarità, di essere spesso presente anche in quei casi in cui 
lo scopo principale della derivazione è un altro, andando a rappresentare, 
nella circostanza, una voce attiva nella valutazione della convenienza 
economica dell‟opera. 
Secondo le ultime statistiche mondiali disponibili recensite nella BP 
Statistical Review of World Energy 2007, con riferimento all‟anno 2006, la 
produzione mondiale di energia idroelettrica ha registrato un incremento 
del 3,2%, merito di una favorevole combinazione tra progresso tecnologico 
e un buon livello di precipitazioni nelle regioni chiave per tale produzione. 
Complessivamente, a livello mondiale sono stati prodotti 3.040,4 TWh: per  
 
 9 IMPIANTI IDROELETTRICI 
Tabella 1.1: Principali paesi produttori di energia idroelettrica 
Paesi Produzione [TWh] Percentuale mondiale 
Cina 416.7 13.70% 
Canada 350.3 11.50% 
Brasile 349.9 11.50% 
Stati Uniti 291.2 9.60% 
Russia 175 5.80% 
Norvegia 119.8 3.90% 
Argentina 42.8 1.40% 
 
ottenere lo stesso volume di elettricità, un impianto termico moderno 
avrebbe richiesto l‟utilizzo di 688 milioni di tonnellate di combustibile 
fossile. Il leader mondiale nella produzione di energia idroelettrica è la 
Repubblica Popolare Cinese, con 416,7 TWh, seguita dal Canada, con 
350,3 TWh, e dal Brasile, 349,9 TWh come si può osservare in Tabella 1.1. 
Si consideri lo schema in Figura 1.1 col fine di rappresentare il 
funzionamento di un tipico impianto idroelettrico. Occorre spostare la 
portata derivata nelle vicinanze di C, con un carico idraulico maggiore a 
quello che la stessa avrebbe transitando in alveo. Per ottenere tale scopo le 
tipologie e accorgimenti costruttivi che si possono scegliere, spaziano dalla 
costruzione di sbarramenti all‟adozione di canali di adduzione che  
 
 
Figura 1.1: Schema tipico di un impianto idroelettrico 
HH'
h
C
BA
 10 IMPIANTI IDROELETTRICI 
realizzino meno perdite idrauliche. In questo modo prima di rilasciare 
l‟acqua in alveo si rende disponibile una certa energia che può essere 
utilizzata. Nella maggior parte dei casi, ove cioè il dislivello tra monte e 
valle non risulti troppo piccolo, si divide il canale di adduzione in due 
parti: la prima (AB) a lieve pendenza, prolungata in modo da avvicinarsi il 
più possibile alla verticale del punto C, la seconda (BC) quasi verticale 
nella quale viene a concentrarsi la quasi totalità del salto complessivo. 
Questo tratto è quello che adduce l‟acqua alle macchine della centrale ed è 
necessariamente in pressione. Nel punto di raccordo B tra i due rami 
s‟inserisce una vasca a superficie libera le cui dimensioni e compiti sono 
differenti, a seconda che il primo tronco sia: 
 a pelo libero, allora il bacino prende il nome di bacino di 
accumulazione (ovvero vasca di carico nel caso in cui non debba 
tenere svincolata, entro opportuni limiti, la portata in AB da quella 
in BC); 
 in pressione, allora il bacino si chiama vasca d’oscillazione o pozzo 
piezometrico. 
In seguito allo sfruttamento nel punto C, si sviluppa un canale a pelo 
libero, solitamente breve, detto canale di scarico per mezzo del quale si 
esegue la restituzione della portata all‟alveo. 
Le caratteristiche delle opere idrauliche presenti nei vari tratti sono 
descritte nel § 1.3. 
1.1. PROPRIETÀ CARATTERISTICHE 
Gli impianti idroelettrici sono abitualmente caratterizzati attraverso una 
serie di elementi descritti in seguito con riferimento ancora alla Figura 1.1. 
 11 IMPIANTI IDROELETTRICI 
Dal punto di vista geometrico si individua il salto, il quale si distingue in: 
 Salto naturale o caduta H: il dislivello tra le quote del pelo libero 
del serbatoio (o del punto più a monte del rigurgito provocato dalle 
opere di sbarramento o di presa) e del pelo libero del recapito 
naturale a valle delle opere di restituzione; 
 Salto disponibile o salto utile lordo H’: il dislivello tra il pelo libero 
del pozzo piezometrico (o della vasca di carico se l‟adduzione è a 
pelo libero) ed il pelo libero del recapito e differisce dal salto 
naturale per la somma delle perdite incontrate nell‟adduzione fino 
all‟imbocco della condotta forzata ed, eventualmente, per quelle 
presenti nelle opere di restituzione; 
 Salto motore o salto utile netto h: dislivello effettivamente 
utilizzato dalla turbina e differisce dal salto disponibile per la 
somma delle perdite delle condotte forzate e, se presente, nel tubo 
di aspirazione. 
Considerando i volumi d‟acqua coinvolti l‟elemento indicativo è la portata 
che può essere: 
 Portata naturale Q: portata istantanea del corso d‟acqua alla 
sezione di derivazione in assenza delle opere idrauliche connesse 
all‟impianto; 
 Portata massima derivabile Qmax: portata massima che può essere 
derivata attraverso le opere di presa e di adduzione; 
 Portata derivabile o portata disponibile Qd: portata effettivamente 
derivabile in relazione alla portata del corso d‟acqua e dalle 
caratteristiche di presa ed adduzione; 
 12 IMPIANTI IDROELETTRICI 
 Portata utilizzabile Qu: portata massima che può essere 
complessivamente erogata attraverso il macchinario della centrale; 
 Portata media derivabile 
dQ : rapporto tra il volume d‟acqua 
effettivamente derivabile in un certo intervallo di tempo e la durata 
dello stesso; 
 Portata media utilizzabile 
uQ : rapporto tra il volume d‟acqua 
erogabile attraverso il complesso delle macchine idrauliche in un 
certo intervallo di tempo e la durata dello stesso. 
Come approfondito nel § 1.2.1, la maggior parte degli impianti idroelettrici 
è caratterizzata dalla presenza di serbatoi. Risulta quindi molto utile, 
soprattutto ai fini della trattazione che si vuole andare a sviluppare, 
indicarne le loro proprietà principali: 
 Capacità totale CT [m3]: volume d‟acqua invasabile nel serbatoio 
fino alla massima quota di ritenuta normale (escluse quindi le 
sopraelevazioni del livello consentite per eventi di piena); 
 Capacità utile Cu [m3]: volume compreso tra la massima quota di 
ritenuta normale e la quota di minimo svaso (quota superiore al 
punto più alto della luce di presa di una quantità pari al termine 
cinematico 
1.5 ∙ ��2
2 ∙ ��
 
in cui U rappresenta la velocità media nel condotto di presa, e 
aumentata generalmente anche di un franco di almeno un metro). 
 Capacità utilizzata C’u [m3] in un intervallo di tempo T: volume 
effettivamente utilizzato nell‟intervallo di tempo considerato, cioè 
 13 IMPIANTI IDROELETTRICI 
il volume tra le quote massima e minima raggiunte in tale 
intervallo; 
 Fattore di sfruttamento di un serbatoio in un intervallo di tempo T: 
il rapporto tra la capacità utilizzata C’u e la capacità utile Cu, che 
dimensionalmente è un numero puro 
 Energia accumulabile in un serbatoio [kWh], si distinguono il 
valore teorico: 
����,�� =
���� ∙ ��′
367.2
 
e quello effettivo: 
����,�� =
���� ∙ ��′
470
 
Si precisa che H’ è il valore medio del salto disponibile anche se, 
talvolta lo si intende come salto baricentrico, ossia la differenza fra 
la quota del baricentro del volume Cu e la quota del pelo libero del 
recapito. 
1.2. CLASSIFICAZIONE 
Pur conservando la comune destinazione a produrre energia elettrica, gli 
impianti idroelettrici sono costruiti per finalità diverse e presentano, 
quindi, svariate tipologie. In modo puramente indicativo è consueta 
qualche schematica classificazione riportata nel seguito. 
Considerando le modalità di riduzione delle dissipazioni nel tronco 
interessato del corso d‟acqua si hanno: 
 Impianti senza canale di derivazione nei quali la riduzione delle 
dissipazioni si ottiene diminuendo la velocità dell‟acqua nel tronco 
di corrente con l‟aumento della sezione liquida rispetto a quella 
 14 IMPIANTI IDROELETTRICI 
naturale mediante la costruzione di uno sbarramento che crei un 
opportuno rigurgito; 
 Impianti con canale di derivazione nei quali la riduzione delle 
dissipazioni è ottenuta sostituendo il corso d‟acqua con una via 
d‟acqua artificiale dotato di caratteristiche dissipative meno 
efficaci. 
Con riferimento alla caduta si distinguono: 
 Impianti a bassa caduta con salto naturale inferiore ai 30 m; 
 Impianti a media caduta con salto naturale compreso tra 30 m e 
400 m; 
 Impianti ad alta caduta con salto naturale superiore a 400 m 
Merita invece particolare attenzione la classificazione in base alla 
possibilità di regolazione dei deflussi che viene per l‟appunto trattata 
separatamente (cfr § 1.2.1). 
1.2.1. POSSIBILITÀ DI REGOLAZIONE DEI DEFLUSSI 
Quando il fine principale di un‟utilizzazione è lo sfruttamento idroelettrico 
non basta avere a disposizione una certa fonte di energia (ricavata come già 
spiegato riducendo le perdite di carico rispetto al transito nell‟alveo 
naturale), ma occorre anche che l‟energia prodotta sia in condizione di 
essere utilmente sfruttata dall‟attività dell‟uomo. A questo proposito vale la 
pena notare che le richieste di energia mostrano scarti tra i giorni feriali e 
festivi, e soprattutto, nello stesso giorno, fra le ore diurne e quelle notturne, 
mentre il consumo medio giornaliero non è molto variabile nelle diverse 
stagioni dell‟anno. L‟andamento sopra descritto risulta essere molto 
differente da quello relativo alle portate naturali di un corso d‟acqua le