Gli scaricatori di piena nelle fognature miste alla luce dei risultati di

II Conferenza Nazionale sul Drenaggio Urbano
Palermo, 10-12 Maggio 2000
Gli scaricatori di piena nelle fognature miste alla luce dei risultati di
una simulazione continua quali-quantitativa delle acque meteoriche nel
bacino urbano sperimentale di Cascina Scala (Pavia)
S. PAPIRI
Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale dell’Università degli studi di Pavia
Sommario. Utilizzando il modello SWMM (Storm Water Management Model), è stata effettuata la
simulazione continua quali-quantitativa della trasformazione degli afflussi meteorici osservati per un
anno in deflussi nella rete mista di drenaggio del bacino urbano sperimentale di Cascina Scala
(Pavia).Utilizzando i risultati della simulazione si è studiato l’abbattimento dei volumi idrici, delle
concentrazioni e delle masse d’inquinante scaricate nei ricettori ottenibile con l’impiego nel sistema
di drenaggio di uno scaricatore di piena, al variare del rapporto di diluizione r adottato per il suo
dimensionamento.
L’analisi è stata condotta considerando il funzionamento ideale e quello reale di uno scaricatore a
salto a fondo allineato, inserito in una rete pluviale e in una rete mista.
I risultati ottenuti confermano come gli scaricatori di piena, da soli, pur adottando valori elevati del
rapporto di diluizione, non sono in grado di determinare una consistente riduzione né dei volumi idrici
né dei carichi inquinanti scaricati nei ricettori.
1.
Introduzione
Le fognature miste sono normalmente dotate di scaricatori di piena la cui funzione è quella di suddividere
la portata Q in arrivo dal collettore durante un evento meteorico in due parti: una portata q da far
proseguire nel derivatore e convogliare al trattamento di depurazione e una portata Qs = Q- q da scaricare,
tramite un canale emissario, nel più prossimo ricettore.
La portata q dovrebbe superare quanto meno possibile il valore qo, pari a r volte la portata nera media
di tempo asciutto del bacino sotteso dallo scaricatore, che assicura il richiesto grado di diluizione. I valori
di r (o di qo) da adottare, in base alle prescrizioni regionali, sono compresi fra 2 e 6; i valori più alti sono
relativi a piccoli centri urbani con basse dotazioni idriche. E’ implicita, in tali normative, la speranza che
durante gli eventi meteorici si realizzino diluizioni spinte delle acque nere e quindi sia possibile, senza
generare apprezzabile danno ambientale, lo scarico diretto delle acque miste nei corpi idrici ricettori.
Nelle reti esclusivamente pluviali usualmente le acque meteoriche vengono scaricate totalmente e
direttamente nei ricettori e solo raramente, per reti di drenaggio di aree industriali, trovano impiego
scaricatori di piena con derivazione e convogliamento al trattamento di depurazione di una piccola
portata meteorica, dell’ordine di 1 l/shaimp. Tutto ciò deriva da una sottovalutazione dei problemi di
inquinamento connessi con le acque di origine meteorica defluenti dalle aree urbanizzate.
Numerosi studi hanno invece dimostrato che le acque pluviali urbane sono una fonte importante di
inquinamento dei corpi idrici ricettori e ciò per la presenza in esse sia di inquinanti convenzionali (solidi
sospesi, COD, BOD5, PO4 totale, ecc.) che di sostanze tossiche (piombo, rame, cromo, zinco, ecc.), dovute
al traffico veicolare e alla corrosione di coperture in lamiera metallica operata dalle piogge acide, in
concentrazioni a volte elevate (Weibel S.R. e altri, 1964; De Filippi J.A. e Shih C.S., 1971; Sartor J.D. e
altri, 1974; Wanielista M.P. e altri,1977; Lindholm O. e Balmèr P., 1978; Novotny V. e Chesters G. ,
1981; Reinertsen T. R., 1982; Veltri P., 1988; La Loggia G., Viviani G., 1992; Artina e altri, 1997). Gli
scarichi di tali acque nei corpi idrici possono provocare effetti acuti dovuti ad elevate concentrazioni di
alcuni inquinanti e, in corpi idrici a debole ricambio, effetti cumulativi dovuti alle masse di inquinanti.
Sono stati messi a punto modelli di simulazione dei processi di trasformazione degli afflussi in
deflussi, dell’accumulo degli inquinanti sul bacino e in fognatura durante il tempo secco, della rimozione
e della propagazione degli inquinanti nella rete di drenaggio durante gli eventi di pioggia (Metcalf e
Eddy, 1971; DHI, 1987; Bujon G., Herremans L., 1990; Wallingford Software Ltd, 1994).
Tali modelli consentono di quantificare l’inquinamento indotto nei corpi idrici dallo scarico diretto
delle acque meteoriche defluenti in fognature miste o pluviali. Utilizzando il modello SWMM (Storm
Water Management Model), è stata effettuata la simulazione continua quali-quantitativa della
trasformazione degli afflussi meteorici osservati per un anno in deflussi nella rete mista di drenaggio del
bacino urbano sperimentale di Cascina Scala (Pavia) per valutare l’efficacia di uno scaricatore di piena
come sistema di controllo dei volumi idrici, delle masse e delle concentrazioni di inquinante scaricate.
Altri ricercatori italiani si sono occupati della valutazione dei carichi inquinanti e dei volumi di acqua
piovana effluenti dagli scaricatori di piena (Maione U., Paoletti A., 1979; Bonomo L., 1991; Mignosa P. e
altri, 1991; Paoletti A., Becciu G, 1997) utilizzando un diverso approccio.
2. Il bacino urbano sperimentale di Cascina Scala (Pavia) e gli eventi meteorici considerati
Le caratteristiche fisiche del bacino, della rete di drenaggio e la strumentazione per la misura e la
registrazione delle precipitazioni e dei deflussi sono illustrate in dettaglio in altre pubblicazioni (Ciaponi e
Papiri, 1994). Si riportano qui alcune caratteristiche principali del bacino e della rete di drenaggio.
Il bacino ha una superficie complessiva di 113.480 m2. Il 35 % di tale superficie è costituita da aree
permeabili (giardini, orti, ecc.) che solo eccezionalmente contribuiscono in piccola misura alla
formazione dei deflussi in rete. L’area impermeabile rappresenta il 65 % della superficie complessiva; di
tale area, 25.457 m2 sono occupati da tetti; la parte restante è occupata da strade asfaltate, marciapiedi,
cortili pavimentati. La rete fognaria è mista; ha uno sviluppo complessivo di 2.045 m e una pendenza
media ponderale pari allo 0,42%.
Per la simulazione continua è stato preso in considerazione l’anno 1997,nel quale si sono avuti 61
giorni piovosi (altezza di pioggia ≥ 1 mm) e un’altezza totale di precipitazione di 836 mm.
Volendo studiare l’efficacia degli scaricatori di piena anche in termini di riduzione del numero di
scarichi nel ricettore ed essendo la registrazione pluviometrica di tipo continuo, per distinguere un evento
pluviometrico da un altro si è dovuto fissare un intervallo minimo di “non pioggia” o di assenza di
basculate del pluviografo (Inter Event Time). Dal momento che una basculata equivale a 0,2 mm di
precipitazione, fissare un valore di IET equivale a fissare un valore minimo di soglia dell’intensità di
pioggia al di sotto del quale si considera assenza di pioggia. Al variare di IET varia il numero di eventi in
cui viene suddivisa la registrazione continua, la durata di pioggia annua, l’altezza totale di pioggia
considerata. La tabella 1 riporta i risultati per tre diversi valori di IET.
IET [ore] N° eventi
1
2
3
74
58
56
Altezza totale di
precipitazione [mm]
801.0
813.4
823.8
Durata pioggia
annua [ore]
336.8
470.3
541.8
Intensità media
[mm/ora]
2.38
1.73
1.52
Tab. 1- Numero di eventi, altezza di precipitazione, durata e intensità media al variare di IET.
Volendo analizzare anche il volume idrico scaricato al variare del dimensionamento degli scaricatori
di piena, si è deciso di scegliere per IET il valore 3 ore; tale scelta deriva dal compromesso fra l’esigenza
di avere un numero maggiore possibile di eventi piovosi e l’esigenza di trascurare il minor numero
possibile di basculate. Sono stati quindi individuati 56 eventi con le seguenti caratteristiche: altezza di
precipitazione variabile da 1,0 a 89,2 mm; durata di precipitazione variabile da 0,2 a 49,3 ore; intensità
media variabile da 0,09 a 23,31 mm/ora. Dei 56 eventi, 15 hanno altezza di pioggia ≤ 1,6 mm (valore
corrispondente alle depressioni superficiali delle superfici impermeabili del bacino), 16 hanno altezza di
pioggia compresa fra 1,6 e 10 mm e 25 hanno altezza maggiore di 10 mm. In 21 eventi l’intensità media è
minore di 1 mm/ora, in 23 è compresa fra 1 e 5 mm/ora e in 12 è maggiore di 5 mm/ora.
3. Calibrazione dello SWMM
Il modulo quantitativo di simulazione della trasformazione afflussi-deflussi è stato calibrato simulando 19
eventi meteorici, selezionati fra quelli registrati nel bacino urbano sperimentale nel periodo di
osservazione che va dal 1989 al 1996, di durata variabile da 12 minuti a 12 ore e di altezza totale di
precipitazione variabile da 5 a 45 mm. Per questa ricerca si sono utilizzati i seguenti valori medi ottimi
dei parametri: percentuale di area impermeabile direttamente contributiva: %A = 75,7%; larghezza in
metri della singola falda: Wi= 1,84 li; pendenza della falda: slope = 0,44 %; altezza massima in mm delle
depressioni superficiali nelle aree impermeabili: istore =1,64 mm; altezza massima in mm delle
depressioni superficiali nelle aree permeabili: pstore = 6 mm; coefficiente di scabrezza di Manning per le
aree impermeabili: imp’n’= 0,025 s/m1/3; coefficiente di scabrezza di Manning per le aree permeabili:
per’n’= 0,04 s/m1/3; capacità di infiltrazione iniziale: f0 = 117 mm/ora; capacità di infiltrazione asintotica:
fc = 17 mm/ora; costante di esaurimento: k = 5,34 h-1; coefficiente di scabrezza di Strickler dei condotti
fognari: K = 70 m1/3/s. Il valore medio del parametro istore è in ottimo accordo con i risultati di una
precedente ricerca sulle perdite idrologiche nel bacino di Cascina Scala (Ciaponi C. e altri, 1996).
Da un’analisi particolareggiata della carta topografica è emerso che il valore medio, pesato su tutta la
lunghezza della rete, della larghezza delle falde afferenti a ciascun condotto (Wi) è pari a 1,82 li.
Il modulo qualitativo modella l’accumulo dei solidi sulla superficie del bacino durante il tempo secco,
il lavaggio delle superfici operato dalla precipitazione meteorica, i fenomeni di deposito, risospensione e
trasporto dei solidi sedimentabili in rete. L’assenza di dati di qualità misurati nel bacino di Cascina Scala,
non ha consentito la calibrazione di tale modulo; per i suoi parametri sono stati utilizzati i valori adottati
in analoghe simulazioni effettuate con lo stesso modello sul bacino di Fossolo (Bologna) da Maglionico
(1998), tranne che per il parametro waspho (definito nel seguito) per il quale si è ritenuto più opportuno
utilizzare un valore più classico di letteratura.
Essendo normalmente le concentrazioni dei solidi sospesi strettamente correlate alle concentrazioni di
BOD e COD, la simulazione della qualità è stata effettuata solo con riferimento ai solidi sospesi.
La modellazione dell’accumulo dei solidi sulla superficie del bacino è stata effettuata utilizzando
un’equazione di tipo esponenziale che tiene conto della massa residua (Mr) al termine dell’ultimo evento
piovoso e del tasso di accumulo e di scomparsa mediante due parametri (Accu e Disp) per i quali si sono
assunti i valori seguenti, congruenti con quelli proposti in letteratura per zone residenziali a densità
abitativa media: Accu (tasso di accumulo) = 8 kg / (ha giorno); Disp (coefficiente di scomparsa) = 0,08
giorni-1. La modellazione del lavaggio operato dalla precipitazione meteorica è stata effettuata integrando
l’equazione:
dMa
= - Arra PwashpoMa
dt
nella quale Ma rappresenta la massa accumulata sulla superficie del bacino al generico istante t e P
rappresenta l’intensità di pioggia netta (mm/ora). Per il coefficiente di lavaggio (Arra) è stato assunto il
valore di letteratura 0,181 (mm- washpo orawashpo -1); per il parametro washpo è stato assunto il valore 1,5.
La modellazione del trasporto dei sedimenti nei condotti fognari è effettuata con il diagramma di
Shields. Il peso specifico delle particelle costituenti i sedimenti è stato assunto pari a 1,8; la portata nera
media delle acque reflue è pari a 7 l/s, il coefficiente di punta è pari a 2; la concentrazione dei solidi
sospesi nelle portate nere è stata calcolata considerando una popolazione residente sul bacino di 3000
abitanti e un contributo per abitante pari a 80 grammi/giorno.
4. Le simulazioni quali-quantitative effettuate con lo SWMM
La prima simulazione è stata effettuata considerando il sistema fognario esistente come una fognatura di
tipo esclusivamente pluviale e ciò al fine di determinare i pollutogrammi dovuti alle sole acque di origine
meteorica.
Nella seconda simulazione si è considerato il sistema fognario esistente misto con la reale variabilità
media, durante il giorno, della portata delle acque reflue di tempo asciutto; non si sono considerati i
fenomeni di sedimentazione e di risospensione in rete (scour and deposition) durante il tempo secco e ciò
al fine di valutare il mero effetto sui pollutogrammi in tempo di pioggia della miscelazione delle acque di
origine meteorica con le acque reflue.
Nella terza simulazione si è considerato anche il fenomeno di deposito e risospensione in rete per
valutare gli effetti sulle concentrazioni e sulle masse di inquinanti scaricate nei corpi idrici ricettori della
risospensione dei sedimenti presenti in fognatura operata dalle portate meteoriche; tale evenienza è
abbastanza frequente nei centri urbani pianeggianti, avendo le reti fognarie pendenze molto deboli.
In tutte e tre le simulazioni si è considerata la presenza sul collettore finale della rete di drenaggio di
uno scaricatore di piena e se ne è valutata l’efficacia al variare della portata di dimensionamento.
La tabella 2 riporta le principali caratteristiche dei 56 eventi pluviometrici considerati (altezza totale di
precipitazione htot, durata totale tp, intensità media im) e i risultati della simulazione quantitativa e
qualitativa considerando la fognatura esclusivamente pluviale e priva di scaricatore di piena (coefficiente
di afflusso φ, portata al colmo Qmax e portata media Qm di deflusso, massa di SS transitante dalla sezione
di chiusura del bacino, concentrazione media e massima di SS).
N°
evento
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
Altezza
pioggia
[mm]
Durata
[ore]
1.4
8.8
1.8
19.8
41.2 37.1
21.8 19.4
2.6
6.2
14.0 41.3
5.2
17.4
18.8 42.9
1.2
0.3
1.4
1.7
1.2
6.6
13.6
3.7
1.0
0.8
1.2
0.5
1.0
0.2
1.6
2.6
47.6 28.8
17.2
7.2
8.8
0.8
10.6
2.0
12.4
2.0
73.8 11.8
3.6
1.1
2.0
0.8
33.2 21.0
16.4
1.3
9.0
5.3
3.2
0.3
13.6
0.6
14.6 12.2
56.2
5.3
41.0
3.9
1.2
2.2
1.4
2.7
1.0
0.3
5.6
0.4
1.8
1.8
22.0
8.3
2.0
0.3
25.8 11.6
28.0 23.0
17.4 10.6
13.6 13.3
17.8
7.0
1.0
2.4
35.6 16.1
3.0
4.9
1.6
5.9
3.2
15.1
47.4 16.2
1.0
2.6
89.2 49.3
1.8
6.6
6.8
19.2
1.8
5.5
1.6
3.3
823.8 541.8
Intensità
media
[mm/ora]
0.16
0.09
1.11
1.12
0.42
0.34
0.30
0.44
4.80
0.84
0.18
3.71
1.20
2.40
6.00
0.62
1.66
2.40
11.73
5.30
6.20
6.28
3.32
2.40
1.58
12.30
1.71
12.80
23.31
1.20
10.70
10.47
0.55
0.53
4.00
13.44
0.98
2.64
6.00
2.23
1.22
1.64
1.03
2.54
0.41
2.21
0.61
0.27
0.21
2.93
0.39
1.81
0.27
0.35
0.33
0.48
1.52
Portata
Portata
afflusso
massima
[l/s]
media
[l/s]
0.055
0.387
0.413
0.190
0.236
0.339
0.267
0.426
0.437
0.425
0.414
0.416
0.469
0.476
0.274
0.116
0.430
0.456
0.385
0.247
0.462
0.390
0.495
0.473
0.386
0.055
0.434
0.099
0.434
0.408
0.440
0.369
0.427
0.443
0.230
0.247
0.455
0.446
0.052
0.180
0.055
0.413
0.6
51.7
46.9
0.9
17.9
5.6
22.1
239.0
83.3
274.0
360.0
284.0
600.0
576.0
46.2
10.8
341.0
562.0
88.7
71.3
598.0
80.6
892.0
805.0
198.0
8.2
278.0
16.3
97.4
59.0
169.0
239.0
126.0
171.0
14.0
0.9
125.0
97.8
2.6
9.0
0.6
892.0
0.2
10.5
14.2
1.1
2.8
3.1
3.7
35.9
21.9
28.8
49.2
43.9
55.0
96.2
12.9
3.8
20.2
80.8
17.5
13.6
85.0
15.9
129.9
118.3
32.7
2.1
31.4
3.9
28.3
15.1
23.5
11.2
29.6
28.7
4.1
2.6
39.2
25.0
0.7
2.3
0.9
105.6
Coeff.
Conc.
Conc.
SS [kg]
media
[mg/l]
max.
[mg/l]
0.6
494.9
68.2
0.2
201.7
27.9
553.7
1226.9
1158.4
363.8
620.9
348.2
146.3
303.7
56.8
15.3
677.7
249.7
50.3
45.7
466.8
92.9
2008.0
1600.6
428.0
17.5
1301.6
12.5
790.9
723.8
271.5
145.5
170.2
327.6
36.7
1.1
1025.5
950.1
0.9
49.7
0.6
17033
54
273
67
4
539
139
971
1866
491
438
1501
695
222
76
508
582
418
294
128
510
654
144
636
728
1743
1098
1201
557
622
558
313
255
197
183
468
12
419
210
86
358
54
442
280
865
161
141
1392
883
3078
3691
2003
911
1816
1407
435
1110
1166
1267
1295
454
992
1062
716
401
1755
3156
1982
1508
2361
612
1508
1332
936
1004
893
725
1369
931
2221
1216
380
1281
280
3691
Massa
Tab. 2- Caratteristiche principali dei 56 eventi pluviometrici considerati
Il valore medio del coefficiente di afflusso è risultato pari a 0,41 e il legame fra volume di deflusso e
volume di afflusso è molto ben interpretato dalla relazione lineare
Vdefl. = 0,465 Vaffl.- 88.16
( R2 = 0,99)
3
nella quale i volumi sono espressi in m ; il tutto in perfetto accordo con i valori trovati
sperimentalmente per il bacino in esame (Ciaponi C. e altri ,1996)
I valori di concentrazione media e massima di SS nelle acque di origine meteorica, pari
rispettivamente a 442 mg/l e a 3.691 mg/l, sono in ottimo accordo con i valori riportati in letteratura
(Weibel S.R. e altri, 1964; De Filippi J.A. e Shih C.S., 1971; Lindholm O. e Balmèr P., 1978) e quindi
sono da ritenere plausibili pur in assenza di verifica sperimentale.
Il carico totale annuo di SS dilavato dalle acque meteoriche, risultante dalla simulazione, pari a 17.033
kg, è in buon accordo con il valore (19.524 kg) che si otterrebbe utilizzando una relazione sperimentale
usata negli Stati Uniti per predire in fase di pianificazione il carico annuo di SS in funzione dell’uso del
suolo, dell’altezza totale di precipitazione e della densità abitativa del bacino (Field e altri, 1977).
La figura 1 pone a confronto l’andamento delle concentrazioni di SS dell’evento meteorico 17,
risultanti dalle 2 simulazioni, considerando i fenomeni di sedimentazione e di risospensione in rete e in
assenza di tali fenomeni. E’ evidente come la risospensione dei sedimenti presenti in una fognatura mista,
operata dalle portate meteoriche, giochi un ruolo determinante sulle concentrazioni massime e sulle masse
di inquinanti scaricate durante un evento meteorico.
Concentrazione SS [mg/l]
6000
Con deposito
5000
Senza deposito
4000
3000
2000
1000
0
0
5
10
15
20
25
30
Durata evento [ore]
Fig.1-Andamento delle concentrazioni di SS nell’evento 17
Le curve dei volumi meteorici e dei carichi di SS connessi, contemporaneamente transitanti dalla
sezione di chiusura del bacino, mostrano un accentuato fenomeno di “ first flush” per la maggior parte
degli eventi con altezza di precipitazione superiore ai 10 mm; ciò è in accordo con quanto sostenuto da
Larson e altri (Larson M. e altri, 1990) che indicano come il fenomeno del “ first flush” sia di rilievo
proprio per i solidi sospesi.
5. L’efficacia di uno scaricatore di piena come sistema di controllo dei volumi idrici, delle masse e
delle concentrazioni di inquinante scaricate nei ricettori.
Tutte le elaborazioni sono state effettuate considerando sia il funzionamento ideale che quello reale di uno
scaricatore di piena a salto con fondo allineato dimensionato con 6 differenti valori del rapporto di
diluizione (r = 1-2-3-4-5-6) e quindi con portata di soglia compresa fra 7 e 42 l/s.
La tabella 3 mostra l’effetto dell’inserimento di uno scaricatore di piena nella fognatura
esclusivamente meteorica, al variare della portata di soglia specifica (portata di soglia per unità di
superficie impermeabile del bacino), nell’ipotesi di funzionamento ideale dello scaricatore (portata
derivata costante e pari al valore di soglia) e nel suo funzionamento reale (portata derivata variabile,
funzione della portata in arrivo). Il numero di eventi che generano scarico decresce poco all’aumentare
della portata di soglia specifica e comunque rimane sempre elevato anche per valori molto elevati di
quest’ultima. Il minor numero di eventi che generano scarico considerando il funzionamento reale è
dovuto esclusivamente all’arrotondamento al centimetro superiore delle dimensioni della luce dello
scaricatore risultanti dal calcolo teorico. Solo con valori molto elevati della portata di soglia specifica, in
genere non ammissibili per l’impianto di trattamento, è possibile conseguire una consistente riduzione dei
volumi idrici e delle masse di inquinante scaricate direttamente nel ricettore. L’efficacia reale
sull’abbattimento dei volumi e delle masse di inquinante è sempre alquanto maggiore di quanto
deducibile dal funzionamento ideale.
Funzionamento reale
Q0
[l/s]
Funzionamento ideale
Portata di Eventi
Eventi
Massa Volume Conc.
Massa Volume Conc.
soglia
che
che
scaricata scaricato media
scaricata scaricato media
specifica generano
generano
3
3
[kg]
[kg]
[m ] [mg/l]
[m ] [mg/l]
[l/(s*haimp)] scarico
scarico
0
7
14
21
28
35
42
0.0
0.9
1.9
2.8
3.8
4.7
5.7
41
32
28
28
26
24
23
17033
11788
9277
7518
6483
5592
4940
38571
24572
18621
14673
12382
10396
9043
442
480
498
512
524
538
546
41
35
31
29
28
28
28
17033
14326
12427
10952
9741
8732
7943
38571
30709
25892
22320
19463
17189
15414
442
466
480
491
500
508
515
Tab. 3- Effetto dell’inserimento di uno scaricatore di piena nella fognatura pluviale al variare della portata
di soglia specifica.
La tabella 4 mostra l’effetto dell’inserimento di uno scaricatore di piena nella fognatura mista, in
assenza di fenomeni di sedimentazione e risospensione in rete, al variare della portata di soglia specifica
(valore riferito alla sola portata di origine meteorica, per cui alle portate di soglia 0 e 4,77 l/s haimp
corrispondono rispettivamente rapporti di diluizione pari a 1 e 6). I valori corrispondenti a portata di
soglia 0 sono relativi ad assenza di scaricatore di piena; quelli corrispondenti a portata di soglia pari a 1
l/shaimp hanno valore puramente teorico in quanto la portata di dimensionamento dello scaricatore risulta
circa pari alla portata di punta delle acque reflue.
Funzionamento reale
Funzionamento ideale
Portata di Eventi
Eventi
Massa Volume Conc.
Massa Volume Conc.
soglia
che
che
scaricata scaricato media
scaricata scaricato media
specifica generano
generano
3
3
[kg]
[kg]
[m ] [mg/l]
[m ] [mg/l]
[l/(s*haimp)] scarico
scarico
0.0
1.0
1.9
2.9
3.8
4.8
41
32
28
28
26
24
17033
9540
7640
6465
5481
4804
38571
22001
16881
13918
11444
9772
442
434
453
465
479
492
41
39
33
30
28
28
17033
13210
11366
10016
8928
8024
38571
32023
26726
22927
19951
17603
442
413
425
437
448
456
Tab. 4- Effetto dell’inserimento di uno scaricatore di piena nella fognatura mista ,senza fenomeni di
deposito, al variare della portata di soglia specifica.
Nella figura 2 sono riportati il numero di eventi che generano scarico e, normalizzati rispetto ai valori
corrispondenti ad assenza di scaricatore di piena, la massa di SS e i volumi idrici scaricati, al variare della
portata di soglia, nel funzionamento reale dello scaricatore.
Eventi che
generano scarico
Massa scaricata
Numero di scarichi annui
40
35
Volume scaricato
30
1.2
1.0
0.8
25
0.6
20
0.4
15
10
0.2
Vscar/Vmax Mscar/Mmax
45
5
0
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Portata di soglia specifica [l/(s*haimp)]
Fig.2- Numero di scarichi annui; volumi idrici e masse di SS scaricati, normalizzati, in assenza di depositi in rete
Nella terza simulazione si è considerato anche il fenomeno di deposito e risospensione in rete,
assegnando al parametro SPG (specific gravity) del modello il valore 1,8.
La tabella 5 riporta i risultati della simulazione.
Funzionamento reale
Funzionamento ideale
Portata di Eventi
Eventi
Massa Volume Conc.
Massa Volume Conc.
soglia
che
che
scaricata scaricato media
scaricata scaricato media
specifica generano
generano
3
3
[kg]
[kg]
[m ] [mg/l]
[m ] [mg/l]
[l/(s*haimp)] scarico
scarico
0.0
1.0
1.9
2.9
3.8
4.8
41
32
28
28
26
24
17033
18788
15375
13143
11221
9926
38571 442
22001 854
16881 911
13918 944
11444 980
9772 1016
41
39
33
30
28
28
17033
25088
22122
19812
17871
16194
38571
32023
26726
22927
19951
17603
442
783
828
864
896
920
Tab. 5- Effetto dell’inserimento di uno scaricatore di piena nella fognatura mista, considerando
fenomeni di deposito in rete, al variare della portata di soglia specifica.
La figura 3 riporta, normalizzati rispetto ai valori corrispondenti a portata di soglia nulla, le masse di
SS scaricate nel funzionamento reale dello scaricatore. Emerge chiaramente che, in presenza di fenomeni
consistenti di deposito in rete, l’efficacia dello scaricatore sul controllo delle masse di inquinante è
estremamente modesta anche per valori molto elevati della portata di soglia specifica.
Mscar/Mmax Vscar/Vmax
1.2
Volume scaricato
1.0
Massa con deposito
Massa senza deposito
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Portata di soglia specifica [l/(s*ha)]
Fig.3- Confronto fra masse normalizzate di SS scaricate in presenza e in assenza di deposito in rete
La figura 4 mostra l’andamento della concentrazione media annua di SS al variare della portata di
soglia specifica, in assenza e in presenza di deposito in rete, per il funzionamento reale dello scaricatore.
Analizzando l’andamento delle probabilità di non superamento rispettivamente delle concentrazioni
medie e di quelle massime di ogni evento, al variare della portata di soglia specifica e considerando il
funzionamento ideale dello scaricatore, si osserva che, con probabilità di non superamento P = 0,90: in
assenza di fenomeni di deposito in rete, la concentrazione media di SS è pari a circa 800 mg/l e quella
massima è pari a circa 1770 mg/l; in presenza di fenomeni di deposito in rete, la concentrazione media di
SS è pari a circa 1800 mg/l e quella massima è pari a circa 4000 mg/l. Si osserva inoltre come il valore
della portata di soglia non influenzi né la concentrazione media annua di SS, i cui valori rimangono
sempre molto elevati in presenza di deposito in rete, né la distribuzione di probabilità delle concentrazioni
medie del singolo evento e influenzi poco la distribuzione di probabilità delle concentrazioni massime.
Concentrazioni medie [mg/l]
1200
1000
800
600
400
Con deposito
200
Senza deposito
0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Portata di soglia specifica [l/(s*ha)]
Fig.4- Concentrazione media annua di SS nelle acque scaricate, in assenza e in presenza di deposito in rete
6. Conclusioni.
Le acque meteoriche defluenti dalle aree urbanizzate veicolano una grande quantità di inquinanti di varia
natura e rappresentano un’importante fonte di inquinamento dei corpi idrici ricettori.
I processi di formazione, accumulo e rimozione degli inquinanti nel bacino e nella rete di drenaggio
sono governati da fattori caratterizzati da elevata aleatorietà e ciò determina una forte variabilità, da
evento a evento, delle caratteristiche qualitative delle acque di drenaggio urbane.
I modelli matematici di simulazione quali-quantitativa sono uno strumento utile di progettazione e di
gestione di sistemi di drenaggio urbano sempre più complessi e aventi non solo la funzione di protezione
idraulica del centro urbano, ma anche quella di protezione ambientale del corpo idrico ricettore.
Il controllo quali-quantitativo dello scarico nei corpi idrici basato esclusivamente sull’utilizzazione
nelle reti urbane di scaricatori di piena è assolutamente inadeguato; con il clima italiano non è possibile
limitare efficacemente né il numero di scarichi annui, né le masse di inquinanti scaricate, né le
concentrazioni degli inquinanti allo scarico neppure adottando valori elevati del rapporto di diluizione r,
che comunque comporterebbero elevati oneri di investimento sia per le reti di drenaggio che per gli
impianti di trattamento e problemi gestionali di questi ultimi.
Per quanto concerne i SS, una fognatura mista con scaricatori di piena dimensionati con i criteri usuali
è meno inquinante di una fognatura separata con scarico diretto delle acque meteoriche nel corpo idrico
ricettore in assenza di apprezzabili fenomeni di sedimentazione in rete, mentre è decisamente più
inquinante in presenza di accentuati fenomeni di sedimentazione in rete. In questa evenienza, che occorre
comunque cercare di evitare in fase progettuale, per ottenere un’adeguata protezione ambientale del
ricettore, gli scaricatori di “alleggerimento” ubicati in rete devono essere dimensionati sulla base di una
portata di soglia decisamente maggiore (dell’ordine di qualche l/s haimp) e quelli ubicati all’ingresso
dell’impianto di depurazione devono essere muniti di vasca di prima pioggia adeguatamente
dimensionata.
7. Riferimenti bibliografici
Artina S., Maglionico M., Marinelli A. (1997), ”Le misure di qualità nel bacino urbano Fossolo”, Atti del Seminario
sui Deflussi Urbani di San Cassiano, 28-31 Marzo 1995, in Modelli quali-quantitativi del drenaggio urbano,
CSDU, Milano.
Bonomo L. (1991), ”Criteri di valutazione degli inquinanti sversati dagli scaricatori di piena”, Idrotecnica, n. 4.
Bujon G., Herremans L. (1990), ”FLUPOL Modèle de prevision des débits et des flux polluants en réseaux
d’assainissement par temps de pluie: calage et validation”, La Houille Blanche, n.2.
Calenda G. (1997), Qualità delle acque- Capitolo 7 di Sistemi di Fognatura. Manuale di progettazione, Ed. Centro
Studi Deflussi Urbani e HOEPLI, Milano.
Ciaponi C., Papiri S. (1994), Bacino di Cascina Scala – Codice IT04- In “Le misure di pioggia e di portata nei bacini
sperimentali urbani in Italia”, Ed. Centro Studi Deflussi Urbani, Milano- Capitolo IV, pagg. 1-127.
C. Ciaponi, A. Negri, S. Papiri (1996), ”Sui coefficienti di afflusso ricavati dalle misure effettuate nei bacini urbani
sperimentali”, Atti dei Seminari di San Cassiano (marzo 1995) e Sorrento (giugno 1996) - In “Modelli qualiquantitativi del drenaggio urbano”- Ed. Centro Studi Deflussi Urbani (CSDU), Milano, 1998.
De Filippi J.A., Shih C.S. (1971), ”Characteristics of separated storm and combined sewer flows”, Jour. of Water
Poll. Control Fed., vol. 43.
DHI (Danish Hydraulic Institute) (1987), Mouse User’s Guide, Delft, Olanda.
Field R., Tafury A.N., Masters H.E. (1977), Urban runoff pollution control technology overview, U.S.EPA Series,
600/2-77-047.
La Loggia G., Viviani G. (1992), “Misure delle caratteristiche di qualità delle acque di pioggia nel bacino di Parco
D’Orleans. Analisi dei primi risultati”, Atti del III° Seminario su: Sistemi di drenaggio Urbano, Ancona, 13-14
febbraio.
Larson M., Berndtsson R., Hogland W., (1990), “Field measurements and mathematical modelling of pollution
buildup and pipe-deposit washout in combined sewers”, Proc. 5° Int. Conf. on Urban Storm Drainage, Osaka,
Giappone, vol.1, pp.325-332.
Lindholm O., Balmér P. (1978), ”Pollution in storm runoff and combined sewer overflows”, Proceedings of the First
International Conference on Urban Storm Drainage, Southampton, Gran Bretagna, pp.575-585.
Maglionico M. (1998), “Indagine sperimentale e simulazione numerica degli aspetti qualitativi dei deflussi nelle reti
di drenaggio urbano”, Tesi di dottorato in Ingegneria Idraulica, X ciclo.
Maione U., Paoletti A. (1979), “Ricerca sui volumi di acqua piovana avviata alla depurazione nelle fognature
unitarie”, Ingegneria Sanitaria, n.6.
Metcalf& Eddy Inc., University of Florida and Water Resources Engineers Inc. (1971), Storm Water Management
Model, Water Pollution Control Res. Serv., 11024 DOC, Vol. 1-4, U.S.EPA.
Mignosa P, Paoletti A., Passoni G. (1991), “Carichi effluenti dagli scaricatori di piena di fognature unitarie”,
Idrotecnica, n. 3.
Novotny V., Chester G. (1981), Handbook of nonpoint pollution: sources and management, Van Nostrand Reinhold
Co., New York.
Paoletti A., Becciu G. (1997), Controllo degli scarichi- Capitolo 10 di Sistemi di Fognatura. Manuale di
progettazione, Ed. Centro Studi Deflussi Urbani e HOEPLI, Milano.
Reinertsen T.R. (1982), “Quality of stormwater runoff from streets”, Proceedings of the First Internaational
Conference on Urban Storm Drainage- Southampton, Gran Bretagna, pp.107-115
Sartor J.D., Boyd G.B., Agardy F.J. (1974), ”Water pollution aspects of street surface contaminants”, Journal of
Water Pollution Control Federation, vol. 46, n.3.
Veltri P. (1988), “La qualità delle acque nelle fognature urbane”, In “Tecniche per la difesa dall’inquinamento. Atti
dell’8° Corso di Aggiornamento”- Ed. BIOS, Cosenza, pp.371-398.
Wallingford Software Ltd. (1994), SPIDA, RTC User’s Guide.
Wanielista M.P., Yousef Y.A., McLellon W.M. (1977), ”Nonpoint sources effects on water quality”, Journal of
Water Pollution Control Federation, vol. 49, n.3, pp.441-451.
Weibel S.R., Anderson R.J., Woodward H.L. (1964), “ Urban land runoff as a factor in stream pollution”, Journal of
Water Pollution Control Federation, vol.36.
8. Ringraziamenti
Si ringrazia il dott. ing. Adriano Simoni per il contributo dato a tale ricerca nella redazione della sua tesi
di laurea.
Questa ricerca è stata svolta utilizzando il cofinanziamento MURST 1998