Obiettivi Formativi

Il corso intende illustrare gli aspetti fondamentali alla base dell'esercizio delle opere idrauliche finalizzate all'uso plurimo delle risorse idriche ed alla produzione idroelettrica, con particolare attenzione alla derivazione da corsi d'acqua naturali, alla gestione dei serbatoi di regolazione ed agli impianti idroelettrici e mini-idro. Vengono inoltre trattate alcune metodologie di supporto alle decisioni in fase di pianificazione ed esercizio dei sistemi idrici. Lo studente acquisirà un'ampia e solida conoscenza delle tecniche e dei criteri di gestione sostenibile delle opere idrauliche finalizzate alla derivazione ed utilizzazione delle risorse idriche sotterranee e superficiali per scopi civili, irrigui e industriali, nonché per la produzione di energia idroelettrica. Più specificamente sarà in grado di utilizzare metodi e strumenti necessari per poter progettare e gestire correttamente opere di captazione, derivazione ed utilizzazione delle acque, nel rispetto dell’esigenza di protezione degli ecosistemi acquatici. Lo studente acquisirà, altresì, approfondita conoscenza e comprensione in merito al quadro normativo e agli strumenti di pianificazione orientati all’utilizzo e alla salvaguardia delle acque, sia a livello comunitario che a livello nazionale. Lo studente dovrà essere in grado di utilizzare le conoscenze teorico-pratiche acquisite per risolvere problematiche connesse alla progettazione e gestione di opere ingegneristiche nell’ambito di sistemi d’approvvigionamento idrico anche complessi. Ciò verrà concretizzato mediante lo svolgimento di esercitazioni atte a stimolare la sensibilità progettuale, nonché la flessibilità dello studente, nella formulazione e risoluzione di problemi di ottimizzazione e simulazione, anche mediante l'utilizzo dei più attuali software di calcolo, quali Matlab. Un confronto continuo con il docente attraverso revisioni collegiali delle esercitazioni, consentirà allo studente di acquisire la padronanza delle soluzioni tecniche proposte e di comprenderne la relativa fattibilità. Lo studente dovrà essere in grado di valutare autonomamente, e secondo un approccio integrato, l'efficacia di ipotesi alternative anche diverse da quelle presentate durante il corso, e di identificare le migliori soluzioni, avvalendosi di opportuni modelli di ottimizzazione delle scelte, eventualmente integrati da un’analisi costi-benefici Le abilità comunicative dello studente, con particolare riguardo all’utilizzo di un linguaggio tecnico-scientifico adeguato ai temi del corso, saranno stimolate nella fase di redazione delle esercitazioni che saranno impostate anche come attività di gruppo e mediante l'esposizione, eventualmente anche con presentazioni in Powerpoint, degli elaborati stessi. In particolare, tutte le attività di progetto saranno accompagnate da relazioni atte a comunicare e giustificare le scelte operate. La discussione in forma scritta degli elaborati sarà, pertanto, lo strumento attraverso cui gli allievi saranno stimolati al confronto e, soprattutto, allo sviluppo delle capacità comunicative. Il raggiungimento di adeguate capacità di apprendimento da parte dello studente, tali da poter operare in modo efficace nell'ambito delle problematiche specifiche del settore della gestione delle risorse idriche, è conseguito, oltre che mediante la redazione degli elaborati progettuali e l’esposizione orale dei lavori di gruppo, anche attraverso un aggiornamento continuo delle conoscenze acquisite durante il corso tramite la consultazione di materiale bibliografico e di banche dati, disponibili presso la biblioteca del Dipartimento di Ingegneria o reperibili in rete, segnalati dal docente.

Learning Goals

The aim of the course is to illustrate the fundamental aspects underlying the operation of multi-purpose water supply systems, with particular attention to flow diversions, the management of the water reservoirs, and the hydroelectric and mini-hydroelectric power plants. Some methodologies to support decisions in the planning and operation of water systems are also discussed. The student will acquire a broad and solid knowledge of the techniques and criteria of sustainable management of hydraulic works aimed at the derivation and use of ground and surface water resources for civil, agricultural, and industrial purposes, as well as for the production of hydroelectric energy. More specifically, it will be able to use the methods and tools necessary to correctly design and manage water resource systems, in compliance with the need for protection of aquatic ecosystems. The student will also acquire in-depth knowledge and understanding of the regulatory framework and planning tools geared towards the use and protection of water, both at the EU and national levels. The student must be able to use the theoretical and practical knowledge acquired to solve problems related to the design and management of engineering works in the context of complex water supply systems. This will be accomplished by carrying out exercises designed to stimulate the design sensitivity, as well as the flexibility of the student in the formulation and solution of optimization and simulation problems, also through the use of the most advanced analysis and modeling software, such as Matlab. An ongoing dialogue with the teacher through collective reviews of the exercises will allow the student to acquire mastery of the proposed technical solutions and to understand their feasibility. The student must be able to independently evaluate, according to an integrated approach, the effectiveness of alternative hypotheses even different from those presented during the course, and to identify the best solutions, making use of appropriate optimization models, possibly accomplished by a cost-benefit analysis The student's communication skills, with particular reference to the use of a technical-scientific language appropriate to the course topics, will be stimulated in the drafting phase of the exercises which will be also set up as a group activity, possibly including project presentations in Powerpoint. In particular, all project activities will be accompanied by reports designed to communicate and justify the choices made by the student. The drafting of the reports will be therefore the main tool to stimulate student’s communication skills. The achievement of adequate learning skills by the student, such as to be able to operate effectively within the specific problems of the water resources management sector, is achieved, as well as through the preparation of the project reports and the presentation of the group work, also through a continuous updating of the knowledge acquired during the course through the consultation of bibliographic material and databases, suggested by the teacher, available on-line or at the library of the Department of Engineering.

Metodi didattici

Lezioni frontali in aula. Esercitazioni guidate svolte dal docente in aula. Seminari. Visite guidate. Le lezioni vengono svolte proiettando slide ed integrando con spiegazioni alla lavagna. Le slide del corso vengono regolarmente fornite agli studenti che seguono il corso e a coloro che non potendo seguire ne fanno richiesta al docente. La preparazione è altresì completata attraverso esercitazioni in larga parte svolte durante le ore di esercitazione. Per lo svolgimento di tali esercitazioni è previsto l’utilizzo di Matlab.

Teaching Methods

Lectures in the classroom. Guided exercises with teacher support. Seminars. Offsite educational visits. Lectures are carried out by projecting slides and integrating with explanations on the blackboard. Slides of the courses are distributed among the students attending the courses as well as to the ones who, for some reason, cannot attend and request the course material to the lecturer. The preparation is also completed through exercises, carried out by using tools such as Matlab.

Prerequisiti

È richiesta la conoscenza dei concetti di base della statistica matematica e della teoria della probabilità, nonché dei principi fondamentali dell’Idraulica.

Prerequisites

Knowledge of the basic concepts of mathematical statistics and probability theory is required, as well as the fundamental principles of hydraulics.

Verifiche dell'apprendimento

Il corso prevede un esame orale finale, con votazione in trentesimi, che potrà essere sostenuto previa consegna, almeno una settimana prima della data dell'appello, degli elaborati relativi alle esercitazioni svolte prevalentemente in classe. L'esame orale consiste in un colloquio sugli argomenti trattati durante il corso e approfonditi mediante le esercitazioni. Esso sarà volto ad accertare le conoscenze acquisite dallo studente, ed in particolare la capacità di identificare idonee soluzioni a problemi di gestione di sistemi di approvvigionamento idrico. Gli elaborati non hanno una data di scadenza, ma è caldamente raccomandato agli studenti di sostenere l’esame entro un anno dalla consegna degli stessi. Gli studenti non frequentanti possono rivolgersi al docente nelle ore di ricevimento per ricevere tutto il supporto necessario a completare gli elaborati e per avere chiarimenti sugli argomenti trattati durante le lezioni.

Assessment

An oral examination is foreseen at the end of the course evaluated with a score out of thirty. Students may undergo the oral examination once that they have their reports on the exercises due one week before the exam session. The oral examination is mainly an interview on the course content, also detailed through the exercises. The interview ascertains student's acquired knowledge and skills in selecting the most suitable methodological tools in relation to the specific features of potential case-studies, as well as data availability. Exercises have no deadline; however, students are strongly invited to take the exam no later than one year from their assignment. Students who cannot attend the course can ask to the lecturer, during the office hours, for the necessary support to complete the assignment and for any clarification on the course topics.

Programma del Corso

INTRODUZIONE: Richiami su ciclo idrologico. Evoluzione nella gestione delle acque. Classificazione delle risorse idriche. Sistemi idrici ed esempi di schemi. Fonti di approvvigionamento idrico. Usi dell’acqua. Problemi relativi all’uso delle acque. Gestione integrata e sostenibile delle risorse idriche. QUADRO NORMATIVO ED ISTITUZIONALE IN MATERIA DI UTILIZZAZIONE DELLE ACQUE: Le principali leggi italiane: Testo Unico del 1933, Piano Regolatore Generale degli Acquedotti, L. 319/1976 e seguenti, L. 183/1989 e seguenti, L. 36/94. D. Lgs. 152/99. Stato di attuazione della legislazione in Italia ed in Sicilia. Direttiva Quadro sulle Acque Europea 2000/60/EC. D.Lgs. 152/2006. Pianificazione delle acque e dei bacini. Il processo di pianificazione. Piani di settore. Piano di bacino: finalità e contenuti; quadro conoscitivo, programmazione degli interventi. Piano di tutela delle acque. I distretti idrografici dopo la Legge 221/2015. VALUTAZIONE DELLE RISORSE E DELLE DOMANDE IDRICHE: Valutazione delle risorse idriche superficiali: raccolta, analisi e validazione dati, analisi idrologiche, curve di durata, stima del deflusso minimo vitale. Modelli stocastici per la generazione di serie idrologiche sintetiche. Classificazione delle domande idriche. Valutazione delle domande per usi civili, irrigui e industriali. Sistemi idrici ad uso plurimo. OPERE DI UTILIZZAZIONE DELLE ACQUE SUPERFICIALI: Derivazioni dai corsi d'acqua naturali: (i) opere di presa; (ii) traverse di derivazione fisse e mobili; (iii) Dighe di ritenuta. Manufatti per il funzionamento di un serbatoio di regolazione. MODELLI DI SIMULAZIONE E OTTIMIZZAZIONE DEI SISTEMI IDRICI: Problematiche di esercizio in un sistema idrico. Serbatoi di regolazione. Simulazione di un serbatoio. Simulazione di sistemi di serbatoi. Valutazione delle performance di un sistema idrico. Esempi di applicazione. Ruolo dell’ottimizzazione nella pianificazione e gestione dei sistemi idrici. Programmazione lineare. Programmazione lineare stocastica. Programmazione dinamica. Esempi di applicazione. IMPIANTI IDROELETTRICI E MINI-IDRO: Impianti idroelettrici con e senza regolazione dei deflussi. Tipologie di impianti: ad alta, media e bassa caduta. Condotte forzate. Turbine idrauliche. Centrali idroelettriche. Calcoli di dimensionamento e stima della producibilità elettrica. Impianti idroelettrici di piccola taglia.

Course Syllabus

INTRODUCTION: Development of water resources management. Water resources classification. Water supply systems. Water sources and uses. Sustainable and integrated water resources management. WATER RESOURCES LEGISLATION: Institutional and legal framework on water use in Italy. European Water Framework Directive 2000/60/EC. Water resources planning tools. ASSESSMENT OF SURFACE WATER RESOURCES: Data collection, validation and analysis. Flow duration curves. Minimum environmental flow. Stochastic models for generation of synthetic flow series. Water use classification and assessment. Surface water diversions. Retaining dams and regulating reservoirs and related facilities. Legislation on designing, building and operation of reservoirs. WATER SYSTEM SIMULATION AND OPTIMIZATION MODELING: Simulation of a water reservoir. Performance assessment. Optimization in planning and operation of water systems. Linear programming. Stochastic linear programming. Dynamic programming. Applications.  HYDROPOWER PLANTS WITH AND WITHOUT FLOW REGULATION: High, medium and low head hydropower plants. Penstocks. Types and selection of hydropower turbines. Power house. Assessment of energy potential. Small and micro hydropower plants.