Le vasche di prima pioggia nel controllo della qualità degli scarichi

L.BORNATICI, C. CIAPONI, S. PAPIRI
Le vasche di prima pioggia nel controllo della qualità degli scarichi fognari generati da eventi meteorici
LE VASCHE DI PRIMA PIOGGIA NEL CONTROLLO DELLA QUALITÀ
DEGLI SCARICHI FOGNARI GENERATI DA EVENTI METEORICI
Laura BORNATICI*, Carlo CIAPONI*, Sergio PAPIRI*
SOMMARIO
La memoria illustra i principali risultati di studi e simulazioni relativi all’impiego delle vasche
di prima pioggia nel controllo degli scarichi fognari generati da eventi meteorici.
La prima parte della nota è dedicata alla rassegna tipologica delle vasche di prima pioggia. Con
riferimento ad una classificazione piuttosto diffusa, vengono esaminate le vasche in linea e fuori
linea, le vasche di transito e di cattura, le vasche a svuotamento in continuo e a svuotamento
intermittente.
Quindi, sono riportati i risultati di alcune simulazioni condotte con riferimento alla realtà
pluviometrica di alcuni siti sperimentali italiani. Adottando diversi modelli matematici, atti a
riprodurre, a partire dalle piogge, gli aspetti quantitativi e qualitativi del deflusso meteorico, è stata
valutata l’efficacia delle vasche di prima pioggia al variare del loro volume, dello schema
impiantistico, del sistema fognario, delle caratteristiche del bacino e del tempo di svuotamento
delle vasche.
1. INTRODUZIONE
Come è stato ampiamente dimostrato in numerosi studi sperimentali, pubblicati a partire dagli
anni ’70, le acque pluviali di dilavamento di aree urbanizzate sono molto contaminate e possono
determinare un rilevante impatto negativo sulla qualità del corpo idrico ricettore.
I convenzionali criteri progettuali dei sistemi fognari si basano, invece, sull’ipotesi che le
acque meteoriche abbiano un livello di contaminazione trascurabile. Sulla base di questa errata
presunzione, nei sistemi fognari separati, le acque meteoriche raccolte dalla fognatura pluviale
sono scaricate direttamente nel ricettore senza trattamento e, nei sistemi fognari unitari, proprio
contando sull’effetto di diluizione operato dall’acqua meteorica, gli scaricatori di piena sono
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Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale, Università degli Studi di Pavia, via Ferrata 1 – 27100 Pavia
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Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 2004) e Cosenza (13-15 dicembre 2004)
dimensionati assegnando alla portata q0 di inizio sfioro un valore pari ad un multiplo R, in genere
compreso fra 2 e 5, della portata media di tempo asciutto qnm.
Numerose ricerche hanno però dimostrato l’inadeguatezza del controllo ambientale
conseguibile con questo approccio convenzionale; in particolare, è stato bene evidenziato che le
portate meteoriche conferite al trattamento attraverso scaricatori di piena dimensionati secondo i
criteri convenzionali sono troppo piccole per garantire un’efficace riduzione dei carichi inquinanti
scaricati nei ricettori (Mignosa et alii, 1991; Papiri, 2001; Bornatici et alii, 2004). D’altra parte,
l’aumento del valore di q0 ai fini di una migliore protezione del ricettore sarebbe difficilmente
praticabile, in quanto determinerebbe all’ingresso degli impianti di depurazione portate
incompatibili con la loro capacità di trattamento.
La necessità di inviare al trattamento un’aliquota importante della massa di inquinanti veicolata
dalle acque meteoriche di dilavamento, senza aumentare le portate usualmente addotte in tempo di
pioggia agli impianti di depurazione, suggerisce, quindi, come soluzione atta ad una migliore
tutela del ricettore, di accoppiare agli scaricatori di piena appositi sistemi di invaso, nei quali
possano essere accumulate le prime acque di pioggia, alle quali è normalmente associata una
frazione importante della massa di inquinanti.
Questi invasi, detti vasche di prima pioggia, hanno la funzione di accumulare, fino al loro
completo riempimento, i deflussi con portata eccedente il valore q0, per inviarli poi alla
depurazione con portate compatibili con l’impianto.
Va, peraltro, osservato che l’impiego delle vasche di prima pioggia è a rigore necessario solo in
testa all’impianto di depurazione; lungo la rete, infatti, il controllo potrebbe essere affidato anche
ai soli scaricatori di piena, purché dimensionati con portate di inizio sfioro q0 che siano
sufficientemente elevate per garantire un’efficace protezione del ricettore, garantendo nel
contempo una piena compatibilità con le caratteristiche idrauliche dei tratti fognari a valle.
Tuttavia, l’impiego delle vasche di prima pioggia anche lungo la rete è da ritenersi preferibile, per
quanto più costoso, giacché esse consentono, a parità di volumi di acque meteoriche convogliati
alla depurazione, di intercettare tutte le acque di prima pioggia che presentano le più alte
concentrazioni di inquinante, come confermato da numerose ricerche sperimentali, fra le quali
anche quelle condotte presso il bacino sperimentale di Cascina Scala – Pavia (Barco et alii, 2004).
Le vasche di prima pioggia rappresentano quindi un intervento strutturale molto efficace
nell’ambito del controllo della qualità degli scarichi fognari in tempo di pioggia. Tuttavia, ad oggi,
per questi manufatti, non esistono consolidati criteri di progettazione che consentano di mettere in
relazione l’entità dei parametri di dimensionamento con l’efficacia che si intende conseguire in
termini di riduzione del carico inquinante scaricato, anche con riferimento alle specifiche
caratteristiche dell’area servita. Ulteriori elementi di incertezza riguardano l’incidenza,
sull’efficacia delle vasche, esercitata dalle modalità del loro inserimento nell’ambito del sistema
fognario, nonché dalle modalità gestionali relative al loro svuotamento. Va infine ricordato che il
problema della definizione di razionali criteri di progetto per le vasche di prima pioggia si connette
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con la questione molto dibattuta se, ai fini della tutela del corpo ricettore, sia preferibile adottare
per la fognatura lo schema unitario o quello separato.
Con questa nota si intende analizzare i principali risultati di simulazioni e studi condotti con
particolare riferimento alla realtà pluviometrica italiana, evidenziandone le ricadute più
significative ai fini di una definizione di più razionali criteri di progetto di questi interventi
strutturali.
2. TIPOLOGIA DELLE VASCHE DI PRIMA PIOGGIA
Secondo una classificazione piuttosto diffusa, le vasche di prima pioggia si caratterizzano
essenzialmente per il diverso modo di inserimento all’interno della rete fognaria (vasche in linea o
fuori linea), per le differenti modalità di alimentazione (vasche di transito o di cattura), per le
differenti modalità di svuotamento (svuotamento in continuo o intermittente).
2.1
VASCHE IN LINEA O FUORI LINEA
Nella Fig. 1 sono mostrati gli schemi impiantistici relativi all’inserimento di vasche in sistemi
fognari unitari e separati: in linea, casi a) e b), e fuori linea, casi c) e d).
Indipendentemente dal tipo di sistema fognario, le vasche si dicono in linea, quando l’invaso è
realizzato direttamente in serie al collettore fognario, così da essere interessato da tutta la portata
che defluisce in fognatura. La capacità di invaso può essere ottenuta costruendo una vera e propria
vasca, oppure assegnando ad un tratto di collettore una sezione maggiorata rispetto a quella
connessa con un normale dimensionamento (supertubo). La portata in ingresso coincide sempre
con la portata proveniente dal sistema a monte, mentre la portata in uscita è regolata da una bocca
di efflusso (“bocca di controllo”), dimensionata in modo da limitare la portata al valore massimo
qmax ammesso nel sistema di valle, sia esso costituito dal proseguimento della rete fognaria o da un
impianto di depurazione. In corrispondenza del deflusso generato da un evento meteorico, la
portata in arrivo da monte eccedente qmax viene temporaneamente invasata in vasca e, una volta
che questa sia completamente riempita, viene scaricata nel ricettore.
Le vasche si dicono, invece, fuori linea, quando l’invaso è realizzato in derivazione rispetto
alla rete fognaria ed è accoppiato ad un apposito manufatto partitore (scaricatore di piena). Lo
scaricatore alimenta la vasca una volta che la portata in arrivo supera il valore limite di inizio
sfioro q0, fissato in modo da risultare compatibile con il sistema di valle. Il valore di q0 è fissato
con gli stessi criteri adottati per la definizione delle portate in uscita dalle vasche in linea. In
corrispondenza del deflusso generato da un evento meteorico, la portata in arrivo da monte
eccedente q0 è convogliata e temporaneamente invasata in vasca e, una volta che questa sia
completamente riempita, viene scaricata nel ricettore. Lo svuotamento della vasca, ai fini del
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conferimento alla depurazione dell’acqua di pioggia in essa invasata, può essere attuato con
diverse possibili modalità; in genere, lo svuotamento viene attivato ad evento meteorico terminato,
così che la portata di svuotamento non si sovrapponga, nella fognatura a valle, con la portata
meteorica lasciata defluire dallo scaricatore.
Figura 1
–
Schemi impiantistici di inserimento di vasche di prima pioggia in sistemi fognari
unitari e separati: in linea, casi a) e b), e fuori linea, casi c) e d).
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Le vasche di prima pioggia nel controllo della qualità degli scarichi fognari generati da eventi meteorici
2.2
VASCHE DI TRANSITO O DI CATTURA
Il confronto fra i due schemi funzionali descritti nel paragrafo precedente porta a riconoscere
che nei due casi l’azione di intercettazione delle acque di prima pioggia è sostanzialmente analoga:
in entrambi gli schemi, infatti, tutte le portate che eccedono il valore ammesso a valle sono
temporaneamente accumulate nella vasca fino al suo completo riempimento. Ammettendo quindi
per lo scaricatore di piena che alimenta la vasca fuori linea un funzionamento idraulico ideale,
uguale a quello della bocca di efflusso della vasca in linea, il volume di acqua meteorica
accumulato nelle due vasche è lo stesso.
Tuttavia, a fronte di un comportamento analogo per quanto riguarda l’azione di intercettazione
delle acque di prima pioggia, si possono avere significative differenze per quanto riguarda le
caratteristiche qualitative delle acque conferite al trattamento e di quelle scaricate nel ricettore,
dipendentemente dalle modalità con cui la vasca viene svuotata ai fini del conferimento alla
depurazione delle acque raccolte e con cui, a riempimento avvenuto, le portate in eccesso sono
scaricate nel ricettore.
Per quanto riguarda questo secondo aspetto, è possibile individuare due situazioni limite
(Oliveri et alii, 2001).
Nella prima, che corrisponde allo schema delle così dette vasche di cattura, una volta che la
vasca si è riempita, le portate in eccesso rispetto a quelle ammesse a valle sono intercettate a
monte della vasca e scaricate nel ricettore senza che possano miscelarsi con il volume già
accumulato.
Nella seconda, che corrisponde allo schema delle così dette vasche di transito, una volta che la
vasca si è riempita, le portate in eccesso rispetto a quelle ammesse a valle entrano comunque nella
vasca, miscelandosi con l’acqua già accumulata e provocandone lo sfioro verso lo scarico. Nella
sua connotazione limite, lo schema contempla che la portata in arrivo sia scaricata nel ricettore,
dopo aver attraversato la vasca (mediante uno sfioro localizzato nella sua sezione di valle) e che
l’attraversamento della vasca in condizioni di turbolenza determini una miscelazione completa
delle portate in arrivo con il volume già accumulato.
Quale dei due schemi sia più efficace ai fini della protezione del corpo ricettore non è
definibile a priori, anche se è intuitivo che le vasche di cattura sono più efficaci nei casi in cui i
pollutogrammi sono caratterizzati da un significativo effetto di “first flush”, mentre le vasche di
transito sono più efficaci nel caso, molto meno frequente, in cui ci sia un effetto di “last flush”.
Nella pratica, i due diversi comportamenti si possono conseguire mediante la realizzazione di
alcuni particolari manufatti. Una vasca di transito si può ottenere semplicemente realizzando lo
scarico delle portate in eccesso attraverso uno sfioratore posto all’interno della vasca, sia questa in
linea o fuori linea. Una vasca di cattura, invece, attuabile solo nei casi di inserimento fuori linea
può essere realizzata inserendo un dispositivo di by-pass in corrispondenza del sistema di
alimentazione. A riempimento avvenuto, la vasca viene sconnessa dal sistema, mediante opportuni
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dispositivi, e la portata sfiorata dallo scaricatore nell’emissario viene inviata direttamente al
ricettore, come schematizzato nella Fig. 2.
Un altro schema impiantistico, intermedio fra quello di transito e quello di cattura, il cui
funzionamento si avvicina alla completa cattura, è rappresentato nella Fig. 3. La portata in
ingresso, eccedente qmax, sfiora nella parte di manufatto (1) destinata all’accumulo. Una volta
riempito il volume disponibile, un secondo sfioratore interviene scaricando le ulteriori portate
eccedenti direttamente al ricettore (2). Questa modalità di funzionamento rende trascurabile, in
fase di scarico nel ricettore, l’effetto di miscelazione tra le acque in arrivo e quelle già invasate.
Tuttavia, essa è realizzabile, senza provocare rigurgiti nella fognatura a monte, solo quando sia
disponibile un significativo dislivello tra la condotta in arrivo alla vasca e quella in uscita.
Figura 2
–
Schemi impiantistici di vasca di cattura fuori linea.
Figura 3
–
Schema impiantistico con funzionamento idraulico prossimo a quello della vasca
di cattura.
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2.3
MODALITÀ DI SVUOTAMENTO
L’inserimento funzionale delle vasche di prima pioggia nell’ambito del sistema fognario e
depurativo è anche condizionato dalle modalità con cui esse vengono svuotate per il conferimento
alla depurazione del volume accumulato durante l’evento meteorico.
Lo svuotamento della vasca, fermo restando la necessità di limitare la portata a valori
compatibili con la capacità massima di ricezione del sistema posto valle (rete o depuratore), può
essere realizzato secondo differenti soluzioni, essenzialmente riconducibili a due principali
modalità: svuotamento in continuo (anche durante l’evento) e svuotamento intermittente (in genere
con inizio successivo all’esaurimento del deflusso generato dall’evento meteorico).
Lo svuotamento in continuo, tipicamente applicato alle vasche in linea, costituisce il sistema
più semplice da un punto di vista costruttivo e gestionale, in quanto non richiede né organi
meccanici di manovra, né specifici dispositivi di controllo, se non una bocca di efflusso in grado di
limitare la portata in uscita al valore massimo ammissibile per il sistema posto a valle.
A titolo esemplificativo, nella Fig. 4 è rappresentata l’azione esercitata su un generico
idrogramma in ingresso da una vasca in linea con svuotamento continuo, inserita in un sistema
fognario di tipo unitario. In tempo asciutto e con la vasca di prima pioggia vuota, la portata in
arrivo, essendo inferiore al valore massimo qmax, attraversa la vasca e defluisce a valle senza essere
trattenuta. In tempo di pioggia, il deflusso prosegue verso valle per portate al più pari a qmax e
trattenuto in vasca per portate superiori. Raggiunto il completo riempimento della vasca, le portate
eccedenti qmax vengono scaricate nel ricettore. Quando il deflusso in ingresso alla vasca diventa
inferiore a qmax (in fase di esaurimento del deflusso meteorico o nel corso di una sua temporanea
attenuazione), la vasca si svuota sotto il controllo della bocca di efflusso, in modo tale che la
portata in uscita dalla vasca, costituita dalla somma della portata in arrivo e della portata di
svuotamento, sia globalmente pari a qmax.
Figura 4
–
Vasca in linea con svuotamento in continuo inserita in un sistema fognario
unitario.
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A fronte di una notevole semplicità di funzionamento, il sistema di svuotamento in continuo è
quello che comporta, a parità di volume della vasca, l’accumulo e l’invio alla depurazione dei
maggiori volumi di pioggia, poiché con il progredire dello svuotamento si rendono disponibili
nuovi volumi per l’accumulo delle acque in arrivo (per la parte di portata eccedente qmax),
indipendentemente dall’istante di tempo in cui queste si presentano. Così, ad esempio, nel corso
dello svuotamento in continuo del volume accumulato nel corso della prima parte di un evento, i
volumi che si liberano sono utilizzati per l’accumulo del deflusso meteorico determinato dalla
rimanente parte dell’evento (la così detta seconda pioggia) che, in genere, presenta caratteristiche
qualitative che non richiederebbero un trattamento di depurazione.
In buona sostanza, con lo svuotamento in continuo, la vasca perde la connotazione di
manufatto atto all’accumulo delle sole acque di prima pioggia, per assumere quella di manufatto
atto all’accumulo, nei limiti delle disponibilità volumetriche dipendenti dalla “storia” degli eventi
e degli svuotamenti precedenti, di tutte le portate che eccedono qmax.
In alternativa, lo svuotamento della vasca di prima pioggia può avvenire “ad intermittenza”,
definendo l’istante di inizio del processo di svuotamento, ed eventualmente la sua interruzione
temporanea, secondo una logica di ottimizzazione tecnico economica. Questa modalità è però più
complessa di quella precedentemente descritta, in quanto richiede organi meccanici di manovra,
misuratori di livello e sistemi logici di comando. A fronte di questa maggiore complessità, tuttavia,
l’attuazione dello svuotamento secondo una logica razionale, può consentire, senza alterare
significativamente l’efficacia ambientale della vasca, una sensibile riduzione dei volumi di acque
meteoriche immessi nel sistema di valle, con conseguenti minori costi gestionali, nel caso in cui
questo coincida con l’impianto di depurazione. Un’oculata scelta dell’inizio dello svuotamento,
infatti, consente di mantenere piena la vasca per un certo intervallo di tempo durante il quale essa
risulta indisponibile, sia per l’eventuale seconda parte dell’evento corrente, sia per gli eventuali
eventi immediatamente successivi, poco significativi per quanto riguarda il carico inquinante.
La definizione dell’istante di inizio del processo di svuotamento è strettamente connessa alla
definizione di un criterio che stabilisca quando due eventi meteorici debbano essere considerati
distinti agli effetti della necessità di intercettazione delle acque di prima pioggia. In altre parole, se
l’intervallo di tempo secco che separa un evento meteorico dal precedente è abbastanza breve, è
ragionevole ritenere che la qualità delle acque di deflusso meteorico associate al secondo evento
non sia tale da richiedere l’accumulo in vasca e l’invio al trattamento. Al contrario, se l’intervallo
di tempo secco che intercorre fra due eventi successivi è piuttosto lungo, le acque di prima pioggia
del secondo evento sono da ritenersi inquinate, perché dilavano superfici sulle quali i carichi
inquinanti hanno avuto il tempo di depositarsi e accumularsi; in questo caso, pertanto, la vasca
deve essere svuotata entro l’inizio del secondo evento, per poterne intercettare le acque di prima
pioggia.
L’intervallo di tempo ∆TE di assenza di precipitazione (o di assenza di deflusso in rete),
superato il quale un nuovo evento meteorico è considerato distinto dal precedente, richiedendo
conseguentemente l’intercettazione delle sue acque di prima pioggia, rappresenta quindi un
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parametro molto importante, ai fini della gestione delle vasche di prima pioggia. Al crescere di
∆TE, ovviamente, diminuisce il numero di eventi per i quali è necessario intercettare le acque di
prima pioggia con un conseguente maggiore impatto degli scarichi meteorici sul ricettore;
viceversa, a valori bassi di ∆TE corrispondono una maggior protezione ambientale del ricettore, ma
anche maggiori oneri gestionali per la depurazione. Si tratta quindi, attraverso apposite analisi che
possono avvalersi delle ormai consuete simulazioni in continuo, di quantificare, su base
probabilistica, gli effetti in termini di impatto sul ricettore e sul depuratore del valore ∆TE assunto.
Ulteriori elementi di approfondimento sono anche richiesti per tradurre i concetti sopra
riportati in concrete e praticabili procedure gestionali per quanto attiene l’alimentazione e lo
svuotamento delle vasche.
Su questi aspetti, è in fase avanzata una ricerca condotta dagli scriventi.
3. RISULTATI DI ALCUNE SIMULAZIONI
La rassegna tipologica presentata nei paragrafi precedenti evidenzia i numerosi gradi di libertà
che caratterizzano la progettazione delle vasche di prima pioggia, per quanto riguarda la loro
dimensione, le modalità di inserimento nel sistema fognario, le modalità di alimentazione, le
modalità di svuotamento.
Ne consegue la necessità di un’analisi razionale delle varie opzioni possibili, al fine di
individuare le soluzioni che garantiscano un buon compromesso fra l’esigenza ambientale di
minimizzare le masse di inquinanti scaricate nei ricettori e l’esigenza economica di minimizzare i
volumi specifici delle vasche (al fine di ridurne i costi di investimento) e i volumi di acqua
meteorica inviata alla depurazione (al fine di minimizzarne i costi gestionali e i problemi gestionali
indotti).
Diversi autori hanno affrontato questo tipo di analisi mediante simulazione numerica del
funzionamento delle diverse configurazioni analizzate. Per la simulazione sono stati adottati
diversi modelli matematici atti a riprodurre, a partire dalle piogge, gli aspetti quantitativi e
qualitativi del deflusso meteorico. Le simulazioni sono state effettuate talvolta sulla base di
ietogrammi sintetici, più spesso sulla base di lunghe serie di ietogrammi reali.
Nel seguito sono riassunti i risultati più significativi ottenuti da alcuni autori con riferimento
alla realtà pluviometrica di alcune zone dell’Italia.
3.1
SCHEMI IMPIANTISTICI E SISTEMI FOGNARI
La differente efficacia, in termini di protezione del ricettore, connessa con le differenze
tipologiche delle vasche di prima pioggia per quanto riguarda le loro modalità di inserimento in
rete (in linea e fuori linea) e di comportamento in funzione dell’alimentazione (di transito e di
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cattura) è stata oggetto di analisi da parte di alcuni autori italiani (Oliveri et alii, 2001; Paoletti e
Papiri, in corso di pubblicazione).
In particolare, Paoletti e Papiri presentano i risultati di tre serie di simulazioni effettuate
applicando alla fognatura del bacino sperimentale di Cascina Scala (Pavia) il modello SWMM
dell’US-EPA per una serie continua di eventi meteorici misurati, all’interno dello stesso bacino,
nel 1997.
Nella prima serie di simulazioni, il sistema fognario è stato assunto come esclusivamente
pluviale; nella seconda, il sistema fognario è stato considerato di tipo unitario assumendo un
andamento delle portate nere corrispondente a quello misurato, senza considerare i fenomeni di
sedimentazione e di risospensione; nella terza serie di simulazioni si è considerato anche il
fenomeno di sedimentazione e di risospensione in rete.
Per le tre serie di simulazioni sono stati considerati gli schemi impiantistici corrispondenti alla
vasca in linea di transito, alla vasca fuori linea di transito e alla vasca fuori linea di cattura. Lo
svuotamento della vasca è stato ipotizzato in continuo.
I risultati delle simulazioni mettono in evidenza che la tipologia della vasca influenza
sensibilmente l’efficacia in termini di riduzione delle masse inquinanti scaricate nel ricettore; a
parità di volume utile, il comportamento delle vasche di transito in linea e fuori linea è
sostanzialmente analogo, mentre risulta nettamente superiore l’efficacia offerta dalla vasca di
cattura fuori linea (Fig. 5).
Figura 5
–
Massa specifica scaricata in funzione dello schema impiantistico e del volume
specifico della vasca (q0 = 3 qnm),(sistema fognario misto senza deposito).
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Le vasche di prima pioggia nel controllo della qualità degli scarichi fognari generati da eventi meteorici
Questo risultato, riconducibile all’effetto di “first flush” che si riscontra molto frequentemente
nei bacini di piccola estensione, conferma quanto già ottenuto da altri autori (Oliveri et alii, 2001)
che, con un’analisi di tipo diverso, hanno evidenziato che, a parità di volume, è sostanzialmente
identico il comportamento di vasche in linea e fuori linea, mentre è decisamente superiore il
rendimento offerto dalle vasche di cattura, rispetto a quelle di transito.
Le simulazioni presentate da Paoletti e Papiri, oltre ad altri risultati che saranno esposti nei
successivi paragrafi, hanno anche messo in evidenza che, adottando gli usuali criteri di
dimensionamento degli scaricatori di piena [q0 = 3÷5 qnm] e delle vasche di prima pioggia (W =
25÷50 m3/haimp), l’impatto esercitato dai due sistemi fognari (unitario e separato) sul corpo
ricettore è praticamente analogo (fig. 6). Questo risultato è anche confermato da una valutazione
orientativa della diversa efficienza dei sistemi unitari e separati ottenuta con stime di bilancio
annue delle masse di inquinante scaricate nel ricettore (Paoletti e Papiri, in corso di pubblicazione;
Paoletti e Sanfilippo, 2004); questi risultati mostrano che l’impatto sul ricettore è pressoché
identico tra sistemi unitari e separati, quando essi siano dotati di attrezzature (scaricatori e vasche)
analoghe. Differenze rilevanti si riscontrano invece quando si passa dal sistema separato con
scarico libero delle acque meteoriche (di gran lunga il sistema peggiore), ai sistemi unitari o
separati con semplici scaricatori di piena, ai sistemi unitari o separati attrezzati anche con vasche
di prima pioggia (situazioni queste ultime che presentano il minimo impatto).
Figura 6
–
Massa specifica scaricata in funzione della tipologia del sistema fognario e del
volume specifico (q0 = 3 qnm), (vasca di cattura fuori linea).
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3.2
VOLUMI UTILI DELLE VASCHE E PORTATE DI INIZIO SFIORO DEGLI SCARICATORI
La valutazione dell’efficacia delle vasche di prima pioggia al variare del loro volume e del
valore della portata di inizio sfioro q0 dello scaricatore di piena ad esse eventualmente accoppiato è
stata oggetto di diversi studi.
Le simulazioni precedentemente citate (Paoletti e Papiri, in corso di pubblicazione)
confermano l’inadeguatezza del controllo operato solo attraverso scaricatori di piena dimensionati
con i criteri convenzionali e mostrano che, per una significativa riduzione del carico inquinante
scaricato con le acque meteoriche, agli scaricatori di piena vanno associate vasche di prima
pioggia con dimensioni assegnate in funzione dell’obiettivo perseguito (Fig. 7).
Figura 7
–
Massa specifica scaricata in funzione del rapporto di diluizione R e del volume
specifico della vasca di prima pioggia, (sistema fognario misto con fenomeni di
sedimentazione e risospensione e vasca fuori linea di cattura).
La Fig. 7 mostra che, per valori dei volumi di vasca medio bassi (W < 40÷50 m3/haimp), la
riduzione del carico inquinante scaricato varia sensibilmente al variare del volume specifico della
vasca, mentre per volumi specifici medio alti, la sensibilità decresce sempre più all’aumentare
della dimensione della vasca. In particolare, si riconosce la non convenienza ad adottare volumi
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L.BORNATICI, C. CIAPONI, S. PAPIRI
Le vasche di prima pioggia nel controllo della qualità degli scarichi fognari generati da eventi meteorici
specifici di invaso superiori a 100 m3/haimp ai quali corrispondono miglioramenti del tutto
marginali per quanto riguarda i benefici per il ricettore.
Le simulazioni, che, come detto, hanno preso in considerazione diverse situazioni per quanto
riguarda il contributo delle acque nere nei sistemi unitari, hanno anche evidenziato che il beneficio
ambientale conseguibile con le vasche di prima pioggia è tanto più marcato quanto più sono
accentuati i fenomeni di sedimentazione e di risospensione in rete (quindi nelle reti fognarie a
bassa pendenza) e che, in presenza di rilevanti fenomeni di deposito e di risospensione in rete,
l’efficacia di un controllo attuato solo con scaricatori di piena è modesta, anche per valori molto
elevati della portata q0 di inizio sfioro.
Risultati simili, per quanto riguarda l’effetto del dimensionamento delle vasche e degli
scaricatori di piena, sono stati ottenuti con altre simulazioni effettuate presso l’università di Pavia
(Bornatici et alii, 2004), applicando ad una fognatura pluviale un modello concettuale di tipo
globale (Ciaponi et alii, 2002) per due serie continue di eventi meteorici misurati nel 2000 e nel
2002 nel bacino sperimentale di Cascina Scala (Pavia).
Le simulazioni mostrano che, in una rete pluviale, uno scaricatore di piena dimensionato con
una portata di inizio sfioro di 2 l/(s haimp), accoppiato ad una vasca con volume utile pari a 25
m3/haimp, assicura una riduzione su base annua di circa l’80% della massa inquinante scaricata nel
ricettore. Lo stesso risultato è conseguibile con uno scaricatore dimensionato con una portata q0
pari a 0,5 l/(s haimp) accoppiato ad una vasca di prima pioggia di 50 m3/haimp. La scelta all’interno
di questo campo di valori, ossia q0 = 0,5÷2,0 l/(s haimp) e W = 25÷50 m3/haimp può essere effettuata
sulla base di vincoli di compatibilità delle portate meteoriche rispetto all’impianto di depurazione
finale ed in funzione del beneficio che si intende conseguire in termini di riduzione dell’impatto
sui corpi idrici ricettori. L’impiego di vasche con volume utile maggiore di 50 m3/haimp porta,
invece, ad un incremento marginale dei benefici.
Le simulazioni effettuate presso l’Università di Pavia hanno anche evidenziato che i risultati
ottenuti con due diverse serie di precipitazioni (2000 e 2002) sono molto simili.
Nella Fig. 8 (Artina e Maglionico, 2001), sono riassunti i principali risultati ottenuti dalla
simulazione dell’inserimento di vasche di prima pioggia a valle degli scaricatori esistenti nella rete
di drenaggio di tipo misto a servizio di un’area urbana localizzata nella periferia della città di
Bologna. I risultati si riferiscono alla simulazione degli eventi meteorici aventi intensità minima di
3 mm/h registrati presso il bacino considerato nell’arco del 1998. Essi mostrano che grazie ad una
capacità di invaso di appena 25 m3/haimp è possibile dimezzare il volume sfiorato e ridurre a circa
un terzo le masse inquinanti scaricate nel ricettore. E’, invece, molto meno marcato l’abbattimento
del numero degli scarichi la cui frequenza non può mai essere ridotta a qualche unità all’anno,
come attuato in altri Paesi (Germania, Svizzera), neppure realizzando volumi d’invaso molto
grandi (W > 100 m3/haimp).
13
LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI
Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 2004) e Cosenza (13-15 dicembre 2004)
1400
Massa BOD5 cumulata (kg/ha).
Senza vasche
Vasche di 25 mc/ha
Vasche di 50 mc/ha
Vasche di 70 mc/ha
1200
1000
800
600
400
200
0
140
Senza vasche
Vasche di 25 mc/ha
Vasche di 50 mc/ha
Vasche di 70 mc/ha
120
100
80
60
40
20
nov
dic
nov
dic
lug
ott
250
set
300
ott
Massa COD cumulata (kg/ha)
200
150
100
50
350
Senza vasche
Vasche di 25 mc/ha
Vasche di 50 mc/ha
Vasche di 70 mc/ha
300
250
200
150
100
50
–
lug
ago
Tempo (mesi)
Tempo (mesi)
Figura 8
giu
apr
mag
gen
dic
nov
ott
set
ago
lug
giu
apr
mag
mar
feb
gen
mar
0
0
feb
Massa SST cumulata (kg/ha)
Senza vasche
Vasche di 25 mc/ha
Vasche di 50 mc/ha
Vasche di 70 mc/ha
350
ago
Tempo (mesi)
450
400
set
Tempo (mesi)
giu
apr
mag
feb
gen
dic
nov
ott
set
ago
lug
giu
apr
mag
feb
mar
gen
0
mar
3
Volumi cumulati (m /ha)
1600
Volumi e masse di inquinanti sversati nel ricettore adottando vasche di prima
pioggia di diverse dimensioni (Artina e Maglionico, 2001).
L’esame delle figure mostra come aumentando il volume d’invaso oltre i 25 m3/haimp, il
miglioramento dei benefici conseguiti diventa progressivamente meno significativo.
3.3
INFLUENZA DELLE CARATTERISTICHE IDROLOGICHE DEL BACINO
Le già citate simulazioni effettuate presso l’Università di Pavia (Bornatici e alii, 2004), hanno
anche consentito di valutare l’influenza della costante di invaso del sistema bacino-rete
sull’efficacia di una vasca di prima pioggia al variare del suo volume utile. La costante di invaso
del sistema bacino-rete, costituisce, come è noto, un parametro globale che caratterizza la risposta
idrologica del sistema e che racchiude in sé i diversi aspetti geomorfologici (estensione, densità di
drenaggio, grado di impermeabilizzazione, pendenza media, ecc.) che la condizionano. Nella Fig.
9 sono riportati, per valori della costante di invaso k pari a 5, 20 e 60 minuti, il numero di sfiori, il
volume e la massa di solidi sospesi scaricati nel ricettore in funzione del volume di una vasca di
cattura fuori linea inserita in una rete di tipo pluviale ed accoppiata ad uno scaricatore di piena con
portata di soglia q0 pari a 2 l/(s haimp). Le elaborazioni sono state condotte con riferimento alle
precipitazioni registrate presso il bacino di Cascina Scala nel corso dell’anno 2000. Si evidenzia
14
L.BORNATICI, C. CIAPONI, S. PAPIRI
Le vasche di prima pioggia nel controllo della qualità degli scarichi fognari generati da eventi meteorici
che a parità di dimensionamento dello scaricatore e della vasca di prima pioggia, l’efficacia del
controllo operato non sembra essere influenzata in modo rilevante dalla costante di invaso, almeno
per volumi specifici non piccolissimi della vasca di prima pioggia. Il tempo di risposta del sistema
bacino-rete sembrerebbe quindi non intervenire come parametro significativo nei criteri di
dimensionamento.
Le curve riportate in figura confermano che volumi utili dell’ordine 25 m3/haimp consentono di
contenere il volume scaricato al 50-60% di quello in arrivo e la massa di SS scaricata intorno al
25%.
100
90
80
Numero scarichi k=5 min
Numero scarichi k=20 min
Numero scarichi k=60 min
Volume scaricato k=5 min
Volume scaricato k=20 min
Volume scaricato k=60 min
Massa SS scaricata k=5 min
Massa SS scaricata k=20 min
Massa SS scaricata k=60 min
70
[%]
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Volume vasca [m3/haimp]
Figura 9
3.4
–
Influenza della risposta idrologica del sistema bacino–rete sull’efficacia del
sistema scaricatore-vasca (Bornatici et alii, 2004).
MODALITÀ DI SVUOTAMENTO DELLE VASCHE DI PRIMA PIOGGIA
Come già detto nel precedente paragrafo 2.3, le modalità di svuotamento delle vasche di prima
pioggia costituiscono un aspetto importante e molto complesso, quasi per nulla indagato dalla
comunità scientifica.
Un’analisi, ancorché molto parziale, è stata effettuata presso l’Università di Pavia dove è stato
simulato il comportamento di una vasca di cattura fuori linea inserita in una rete pluviale al variare
della durata di svuotamento. Fissato un valore di “inter event time” pari ad 1 ora e selezionati gli
15
LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI
Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 2004) e Cosenza (13-15 dicembre 2004)
eventi meteorici registrati presso il bacino sperimentale di Cascina Scala (Pavia) nel corso del
2000, è stato ipotizzato che lo svuotamento della vasca iniziasse immediatamente all’azzerarsi del
deflusso meteorico (portata derivata dallo scaricatore nulla) e che si interrompesse
temporaneamente qualora il deflusso meteorico tornasse ad essere diverso da zero. Le portate di
svuotamento sono state fissate imponendo che le vasche a completo riempimento si svuotassero in
6-12-24-48 ore ed ipotizzando uno svuotamento a portata costante. Le elaborazioni (Figg. 10 e 11)
mostrano che, rispetto alla situazione ideale di vasca sempre vuota all’arrivo del deflusso
meteorico, l’incremento del volume idrico e del carico inquinante scaricati nel ricettore, che
ovviamente crescono all’aumentare della durata di svuotamento, è contenuto.
100,00
q0=0,5 l/(s haimp) (ideale)
q0=0,5 l/(s haimp) T=6 h
q0=0,5 l/(s haimp) T=12 h
q0=0,5 l/(s haimp) T=24 h
q0=0,5 l/(s haimp) T=48 h
90,00
80,00
q0=2 l/(s haimp) (ideale)
q0=2 l/(s haimp) T=6 h
q0=2 l/(s haimp) T=12 h
q0=2 l/(s haimp) T=24 h
q0=2 l/(s haimp) T=48 h
q0=5 l/(s haimp) (ideale)
q0=5 l/s haimp T=6 h
q0=5 l/(s haimp) T=12 h
q0=5 l/(s haimp) T=24 h
q0=5 l/(s haimp) T=48 h
Volume scaricato [%]
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Volume vasca [m3/haimp]
Figura 10
–
Volumi scaricati nel ricettore per differenti valori della portata q0 di soglia dello
scaricatore e per diverse durate di svuotamento T in funzione del volume
specifico della vasca.
16
L.BORNATICI, C. CIAPONI, S. PAPIRI
Le vasche di prima pioggia nel controllo della qualità degli scarichi fognari generati da eventi meteorici
100,00
q0=0,5 l/shaimp (ideale)
q0=0,5 l/shaimp T=6 h
q0=0,5 l/shaimp T=12 h
q0=0,5 l/shaimp T=24 h
q0=0,5 l/shaimp T=48 h
90,00
80,00
q0=2 l/shaimp (ideale)
q0=2 l/shaimp T=6 h
q0=2 l/shaimp T=12 h
q0=2 l/shaimp T=24 h
q0=2 l/shaimp T=48 h
q0=5 l/shaimp (ideale)
q0=5 l/shaimp T=6 h
q0=5 l/shaimp T=12 h
q0=5 l/shaimp T=24 h
q0=5 l/shaimp T=48 h
Massa SS scaricata [%]
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Volume vasca [m3/haimp]
Figura 11
–
Masse di solidi sospesi scaricate nel ricettore per differenti valori della portata
q0 di soglia dello scaricatore e per diverse durate di svuotamento T in funzione
del volume specifico della vasca.
4. CONCLUSIONI
Anche in Italia, da ormai alcuni anni, è stato proposto l’impiego delle vasche di prima pioggia
quale intervento strutturale atto al controllo della qualità degli scarichi fognari in tempo di pioggia.
L’attività di ricerca, sviluppata da alcuni autori con particolare riferimento alla situazione
pluviografica italiana, consente oggi di trarre alcune conclusioni che possono utilmente informare
la progettazione dei sistemi fognari e dei loro manufatti.
Va innanzitutto sottolineato che ai fini del controllo dell’impatto qualitativo sul corpo idrico
ricettore, contrariamente all’opinione di vari addetti ai lavori, il sistema separato con scarico libero
delle acque meteoriche presenta prestazioni inferiori rispetto al sistema unitario con controllo
attuato mediante semplici scaricatori di piena. Questo tipo di controllo, indipendentemente dal
sistema fognario in cui è applicato, è comunque inadeguato per perseguire una significativa
riduzione del carico inquinante scaricato in tempo di pioggia, a meno di non ricorrere a valori della
portata di inizio sfioro decisamente elevati, dell’ordine di 10 volte la portata nera media nei sistemi
17
LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI
Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 2004) e Cosenza (13-15 dicembre 2004)
unitari e dell’ordine di 5 l/(s haimp) nei sistemi pluviali. Queste portate, incompatibili con le
tradizionali capacità di trattamento degli impianti di depurazione, molto spesso non creano
problemi di compatibilità idraulica lungo la rete dove, quindi, si può ottenere un efficace controllo
degli scarichi meteorici dimensionando opportunamente gli scaricatori di piena. Nella sezione
finale della fognatura, in testa all’impianto di depurazione, dove è invece necessario limitare la
portata in ingresso all’impianto, solo l’impiego di vasche di prima pioggia consente una
significativa riduzione degli indicatori di impatto (massa inquinante scaricata, numero annuo degli
scarichi, concentrazione media e concentrazione massima degli inquinanti). Con questi presidi,
l’impatto sul ricettore è pressoché identico tra sistemi unitari e separati dotati di attrezzature
(scaricatori e vasche) analoghe; ne consegue che gli aspetti relativi ad una migliore tutela
ambientale non possono costituire un argomento determinante nella scelta fra i due diversi sistemi
fognari.
Per quanto riguarda le possibili scelte circa l’inserimento delle vasche nell’ambito della
fognatura, è ormai assodato che l’efficacia delle vasche in linea e di quelle fuori linea è, a parità di
volume, sostanzialmente analoga. Decisamente superiore è, invece, il rendimento offerto dalle
vasche di cattura (con miscelazione nulla o trascurabile), rispetto a quelle di transito (con
miscelazione totale o comunque rilevante).
Un buon accordo si riscontra fra diversi autori nel valutare in 25÷50 m3/haimp il valore ottimale
da assegnare alle vasche; la scelta all’interno dei questi valori è legata al beneficio che si intende
conseguire e ai valori adottati per la portata di inizio sfioro dello scaricatore di piena accoppiato
alla vasca (nelle vasche fuori linea) o della portata massima controllata dalla bocca di efflusso
(nelle vasche in linea). Per la scelta del valore più opportuno, utili indicazioni, seppur ancora non
generalizzabili, possono essere tratte dagli abachi (alcuni dei quali sono riportati in questa
memoria) ricavati da alcuni autori mediante simulazione di lunghe serie di eventi pluviometrici.
Sembrerebbe anche dimostrato che il dimensionamento delle vasche non sia influenzato dalle
caratteristiche idro-geo-morfologiche del sistema bacino-rete che ne condizionano la risposta
idrologica (estensione, densità di drenaggio, grado di impermeabilizzazione, pendenza, ecc.).
Non ancora sufficientemente indagati risultano, invece, gli aspetti relativi alla gestione delle
vasche di prima pioggia, con riferimento in particolare alle modalità del loro svuotamento. Oltre
allo svuotamento in continuo semplicemente controllato da una bocca di efflusso (schema tipico
delle vasche in linea), si può pensare, infatti, di adottare sistemi più complessi (supportati da
apparati di misura e di comando automatico e/o temporizzato), con lo scopo di ridurre i volumi
idrici inviati alla depurazione, senza sacrificare in modo significativo l’efficacia del controllo.
Propedeutico all’analisi delle possibili modalità di gestione della vasca (e delle connesse
implicazioni tecnologiche), è l’approfondimento di un criterio che stabilisca quando due eventi
meteorici debbano essere considerati distinti agli effetti della necessità di intercettazione delle
acque di prima pioggia. Per la definizione di questo criterio, che peraltro assumerebbe anche
un’importante valenza legale nell’ambito delle normative che le Regioni dovrebbero approntare, è
necessario quantificare su base probabilistica, attraverso apposite analisi che possono avvalersi
18
L.BORNATICI, C. CIAPONI, S. PAPIRI
Le vasche di prima pioggia nel controllo della qualità degli scarichi fognari generati da eventi meteorici
delle ormai consuete simulazioni in continuo, gli effetti delle possibili opzioni in termini di
impatto sul ricettore e sul depuratore. Su questi aspetti, è in fase avanzata una ricerca condotta
dagli scriventi.
5. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
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19
LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI
Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 2004) e Cosenza (13-15 dicembre 2004)
Water Management, 5th International Conference, Novatech 6-10 june 2004, Lyon (France),
pp. 679-686 (I), Edition GRAIE, Villeurbanne Cedex, 2004.
Papiri S., Gli scaricatori di piena nelle fognature miste alla luce dei risultati di una
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sperimentale di Cascina Scala (Pavia), Dalle fognature alla tutela idraulica e ambientale
del territorio, Atti della II Conferenza Nazionale sul Drenaggio Urbano, 10-12 maggio
2000, Palermo (Italia), La Loggia (a cura di), pp. 49-60, CSDU, Milano, 2001.
RINGRAZIAMENTI
Questo lavoro è stato cofinanziato dal MIUR nell’ambito del progetto di ricerca PRIN 2002 dal
titolo “Controllo dei fenomeni idrologici e di trasporto e trasformazione degli inquinanti generati
nelle aree urbanizzate ai fini della tutela dei corpi idrici superficiali”.
20