Tema n. 1 IL CANDIDATO ILLUSTRI I CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DEI DRENAGGIO URBANO. (SECONDA PROVA SCRITTA, II SESSIONE 2008)

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1 Tema n. 1 IL CANDIDATO ILLUSTRI I CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DEI DRENAGGIO URBANO. SISTEMI DI (SECONDA PROVA SCRITTA, II SESSIONE 2008) Tradizionalmente con il termine fognature si intende il sistema di impianti destinato all'allontanamento delle acque reflue e meteoriche dal centro abitato; oggi tale termine viene sostituito dalla denominazione sistema di drenaggio urbano, sottintendendo un insieme di impianti destinati sia all'allontanamento delle acque sia al controllo dell'inquinamento sull'ambiente. Gli elementi di un sistema di drenaggio urbano sono: opere di raccolta delle acque meteoriche (caditoie stradali e pluviali) e reflue (scarichi privati); rete di collettori stradali; opere per il controllo idraulico ed ambientale (vasche di prima pioggia, scaricatori di piena, vasche volano, impianti di sollevamento); impianti per il trattamento dei reflui e lo scarico nel corpo idrico recettore. Un sistema di drenaggio urbano deve quindi garantire da un lato un efficace difesa idraulica del centro abitato, dall'altro un controllo sugli scarichi nei corpi idrici. Acque bianche e nere. Le acque che vengono convogliate in un sistema di drenaggio urbano sonno di due tipologie principali: acque nere, costituite da reflui civili e/o industriali (caratterizzati da basse portate, bassa variabilità, caratteristiche qualitative particolarmente nocive per l'ambiente) e acque bianche, costituite dalle acque meteoriche (portate elevate, con elevata variabilità nel tempo e nello spazio, di qualità variabile: molto inquinate le acque di prima pioggia di dilavamento stradale, sempre meno inquinate quelle di seconda pioggia). In linea generale gli elementi da considerare nella progettazione di una rete fognaria sono: conformazione altimetrica del territorio, presenza di altri servizi nel sottosuolo (acquedotti, gasdotti, elettrodotti), dati sulle precipitazioni meteoriche (per fognature bianche o miste), dati della popolazione, le attività produttive e i relativi consumi idrici, informazioni sul corpo idrico recettore (localizzazione e tipologia). L altimetria del terreno, in particolare, riveste un ruolo molto importante, infatti le fognature a differenza degli acquedotti che sono sempre in pressione sono costituite generalmente da canali chiusi in cui l'acqua scorre a pelo libero, procedendo per gravità. E poiché generalmente si assegna alle condotte una pendenza parallela al piano stradale e tale pendenza incide, tra le altre cose, sulla velocità l aspetto altimetrico assume grande importanza. Zone troppo pianeggianti possono comportare velocità troppo basse che causano sedimentazione di materiale putrescibile e possono richiedere l inserimento di un impianto di sollevamento (che presenta problematiche quali: costo di costruzione ed esercizio; rumorosità; impiego di pompe particolari diverse da quelle utilizzate per sollevare acque bianche caratterizzate da minori rendimenti). Una pendenza eccessiva che comporti velocità troppo elevate, al contrario, richiede l inserimento di pozzetti di salto per raccordare tra loro tratti di condotta a minor pendenza. 1

2 In particolare la circolare ministeriale n.11633/1974 contenente istruzioni relative alla progettazione di fognature e impianti di trattamento delle acque di rifiuto impone dei valori limite, minimo e massimo, alle velocità. Velocità minima: la velocità relativa alla portata fecale media per fognature unitarie e per fognature nere non dovrà di norma essere inferiore a 0.50 m/s, al fine di evitare l instaurarsi di condizioni favorevoli alla sedimentazione delle sostanze trasportate. L accumulo di sostanze sedimentate, infatti, può ridurre la sezione idrica, fino all occlusione pressoché totale della fogna, se i depositi con il tempo si consolidano, diventando difficilmente asportabili. Inoltre i depositi sono generalmente putrescibili, e danno luogo allo sviluppo di gas maleodoranti o addirittura tossici (acido solforico, H 2 S) o infiammabili (metano, CH 4 ). Velocità massima: la velocità relativa alla portata di punta non dovrà di norma essere superiore a 4 m/s (fogne unitarie) ed a 5 m/s (fogne bianche), per limitare il degrado dovuto all azione meccanica dell acqua e del materiale solido trascinato dalla corrente. Un problema tipico delle fognature miste è che la portata è estremamente variabile, dalla sola Q fecale alla Q pluviale, per cui è difficile rispettare entrambi i limiti di velocità e si dovrà, allora, o tollerare velocità minori di 0.5 m/s in tempo di magra o tollerare velocità superiori a 5 m/s a seguito di piogge abbondanti. Nel primo caso si dovrà poi rimediare col periodico lavaggio della fogna per rimuovere i depositi, nel secondo caso si renderebbe invece necessario per le canalizzazioni l utilizzo di materiali più resistenti all'erosione o dei rivestimenti; economicamente si è visto che conviene tollerare velocità superiori alla velocità massima, anche in virtù della minor frequenza con cui si verifica la cosa. Ad ogni modo, per assicurare che la velocità sia superiore a quella minima anche per le portate più piccole, si può agire sulla sezione del canale fognario, adottando ad esempio delle sezioni con fondo a cunetta che migliorano in tal senso la scala di deflusso. Sistema misto o separato. Mentre la distribuzione di acqua potabile avviene generalmente con una rete a maglie chiuse, in cui l acqua in un tratto può scorrere nei due versi a seconda dei casi, per le fognature la rete è fatta in modo tale che i vari tratti si incontrano solo alla confluenza. Il sistema, poi, può essere misto (o unitario: unica rete che allontana sia acque bianche che nere) o separato (o doppio: una rete pluviale per le acque bianche ed una rete per le acque reflue urbane e/o industriali). Nel sistema unitario, realizzando un'unica rete, si risparmia sui costi (materiali, scavi, gestione, manutenzione). Inoltre i sempre maggiore carichi inquinanti nelle acque piovane, soprattutto di prima pioggia, le rendono assimilabili alle acque nere; nel sistema unitario arrivano all impianto di depurazione le acque reflue insieme alle acque di prima pioggia che sono molto inquinate mentre il resto (acque nere con un elevato grado di diluizione per via dell'acqua piovana che continua d aumentare) tramite degli scaricatori di piena va direttamente al recapito finale dopo una semplice grigliatura. L'inconveniente di questo sistema è che al recapito finale, pur se molto diluiti, arrivano comunque dei liquami. Nel sistema separato, invece, per sottoporre al trattamento depurativo le acque di prima pioggia, si utilizzano dei dispositivi detti scaricatori a salto che derivano le prime acque piovane dalla rete pluviale alla rete nera. Questa soluzione, igienicamente migliore, è però più onerosa; inoltre può dare, in presenza di scarichi abusivi nella rete bianca, maggiori problemi ambientali rispetto a una rete mista. Per questo la tendenza per le nuove reti, in linea generale, è quella di realizzare reti miste, anche se esistono situazioni in cui è preferibile una rete separata; ad esempio nelle zone rurali, in cui lo smaltimento delle acque pluviali in genere avviene tramite il reticolo idrografico naturale o tramite il sistema di smaltimento agricolo, costituito da scoline e 2

3 Supponiamo di considerare una sezione circolare. Per il dimensionamento, conviene tabulare la funzione Q / i = ka R ; in pratica si possono attribuire dei valori al raggio fondamentale, attribuire dei valori al coefficiente di scabrezza in funzione dei diversi materiali e calcolare, quindi, il secondo membro. Poi, nota la portata e la pendenza del canale, si calcola il primo membro Q / e si vede quale raggio fondamentale mi fa avere tale valore a secondo membro. Si ricava così la dimensione geometrica del condotto. i Per la sezione scelta si valutano le condizioni di deflusso a sezione parzializzata in termini di portata e velocità; ciò si fa attribuendo al rapporto di riempimento h/d valori crescenti da zero ad 1 (sezione piena) e valutando per ognuno sezione idrica, contorno bagnato e raggio idraulico (è necessario determinare l angolo al centro beta, funzione di h). Poi si valutano velocità specifica V* e portata specifica Q*. 87R V* = V / i = k R = Q * = AV * γ + R 5

4 Tema n. 2 IL CANDIDATO ILLUSTRI I DISPOSITIVI SCARICATORI DI PIENA COMUNEMENTE IMPIEGATI NEI SISTEMI DI DRENAGGIO URBANO CON PARTICOLARE RIFERIMENTO ALLE TECNICHE PROGETTUALI. (SECONDA PROVA SCRITTA, II SESSIONE 2010) Generalità. Gli scaricatori di piena sono manufatti di separazione delle portate che hanno la funzione di lasciar procedere verso il depuratore le acque da trattare e scaricare verso un recapito esterno quelle in eccesso rispetto ad un fissato limite del rapporto di diluizione (rapporto tra la portata presente nel collettore e la portata media nera). Durante eventi di pioggia di modesta intensità la rete fognaria è in grado di trasportare le acque meteoriche (ed eventualmente gli scarichi domestici e industriali in caso di fognatura mista) sino all'impianto di depurazione, ma in caso di eventi particolarmente intensi può accadere che i collettori fognari non siano in grado di smaltire la portata che defluisce sulla superficie urbana e in tal caso si hanno inondazioni che danneggiano interrati e scantinati e riflussi sulle strade attraverso i tombini. Per evitare che la rete di fognatura risulti sovraccaricata durante eventi di pioggia particolarmente intensi, è necessario smaltire parte delle portate in transito direttamente al corpo idrico ricettore tramite opere dette scaricatori di piena; la portata scaricata deve ovviamente presentare una concentrazione di sostanze inquinanti ridotta e compatibile con le caratteristiche del corpo idrico recettore. Gli scaricatori di piena, in pratica, intercettano la portata (q) da convogliare al depuratore, con lo scopo di garantire, da un lato, che lo smaltimento delle portate abbia inizio solo quando si sia raggiunta un'opportuna diluizione delle portate nere, e, dall'altro, che le portate da inviare all'impianto non si discostino molto da quelle che garantiscono un corretto ed efficiente funzionamento dell'impianto di depurazione. In tempo di pioggia, infatti, le portate nere risultano essere fortemente diluite per la presenza delle portate meteoriche, notevolmente più intense. Il coefficiente di diluizione, inteso come rapporto tra la portata nera diluita e la portata nera media di tempo asciutto, viene quindi utilizzato come parametro fondamentale nel dimensionamento di tali manufatti (generalmente 3-5). 8

5 Il dimensionamento degli scaricatori di piena è legato alla determinazione della portata di soglia Q nd (portata nera diluita) in rete unitaria, o Q bd (portata bianca diluita) in caso di rete esclusivamente pluviale, oltre la quale inizia lo sfioro verso il ricettore. Tale portata è definita in funzione di quella massima accettabile dalla rete di valle per gli scaricatori di alleggerimento, mentre, nel caso di scaricatori predisposti all ingresso di un impianto di trattamento, in funzione delle dimensioni dell impianto e conseguentemente della portata che può essere trattata nei periodi di pioggia. Tale portata, però, deve prendere in considerazione anche aspetti di tipo ambientale: lo sfioro potrà essere ammesso solo quando la diluizione determinata dalla portata Q b è tale da ridurre la concentrazione di inquinanti a valori compatibili con le caratteristiche del ricettore. Tipologie. Gli scolmatori si possono dividere in tre categorie: sfioratori laterali; scaricatori o derivatori a salto; sfioratori o derivatori frontali. Gli sfioratori laterali (o scolmatori a stramazzo laterale) sono delle condotte che presentano, a partire da una certa sezione e per una certa lunghezza, uno stramazzo laterale la cui soglia è posta ad un altezza tale che possa transitare senza sfiorare una portata pari a r*q n, dove r è il rapporto di diluizione. Quando la portata in arrivo supera il valore r*q n, la parte eccedente o poco meno sfiora in un collettore parallelo per essere avviata al recapito finale. Gli sfioratori laterali si classificano in sfioratori a soglia alta, molto efficienti ma caratterizzati da basse velocità e quindi da fenomeni di deposito che rendono necessari frequenti interventi di manutenzione, e sfioratori laterali a soglia bassa, che, per contro, richiedono scarsa manutenzione e sono di semplice realizzazione, ma risultano meno efficienti. Il calcolo degli sfioratori laterali è piuttosto complesso, perché la portata sfiorata dipende dall'andamento del profilo di rigurgito lungo la soglia. Il dimensionamento degli sfioratori laterali viene effettuato ricorrendo all'ipotesi di processo di sfioro ad energia costante (De Marchi). Le ipotesi che permettono di considerare questa condizione un ottima approssimazione dell effettivo processo di sfioro sono le seguenti: condotta cilindrica di pendenza trascurabile, moto permanente gradualmente variato, lunghezza dello sfioratore modesta, sfioratore a soglia alta. Gli sfioratori si possono realizzare in corrente veloce ma la loro efficienza è inferiore rispetto al caso di corrente lenta: infatti le correnti veloci se incontrano un ostacolo impennano raggiungendo altezze idriche elevate e stramazzano facilmente; inoltre esse sono caratterizzate da modesti tiranti idrici e necessitano di soglie basse: quest ultima condizione risulta essere in contrasto con la teoria del De Marchi che è valida in ipotesi di soglia alta. Pertanto tali dispositivi sono in genere realizzati in canali o collettori a debole pendenza. Gli scaricatori a salto si realizzano praticando una luce sul fondo della condotta attraverso la quale si scarica in una condotta sottostante la portata destinata all impianto di trattamento; il sistema va dimensionato in modo tale che finché la portata che transita non supera r*q n, tutta la portata salta nella condotta inferiore e giunge all impianto di depurazione; viceversa quando la portata defluente supera r*q n il profilo della corrente sarà tale che solo una parte della portata scende nel condotto inferiore mentre la parte eccedente, sufficientemente diluita, prosegue verso l emissario. Possono realizzarsi 9