QUALITA DELLE ACQUE METEORICHE DI DILAVAMENTO DEI SITI SPERIMENTALI DI CASCINA SCALA (PAVIA) E DI CREMONA

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1 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona QUALITA DELLE ACQUE METEORICHE DI DILAVAMENTO DEI SITI SPERIMENTALI DI CASCINA SCALA (PAVIA) E DI CREMONA Carlo CIAPONI *, Sergio PAPIRI *, Sara TODESCHINI * SOMMARIO La memoria presenta i riscontri della terza campagna sperimentale sul bacino urbano di Cascina Scala (Pavia) e i primi risultati dell indagine in corso sull area di pertinenza del casello autostradale di Cremona che hanno lo scopo di contribuire alla caratterizzazione della qualità delle acque meteoriche di dilavamento di superfici antropizzate e, nel caso del bacino di Cascina Scala, alla conoscenza dei fenomeni che governano la dinamica degli inquinanti nei sistemi fognari durante eventi meteorici. Sono riportati i dati di qualità e quantità delle acque defluenti nella rete fognaria di Cascina Scala durante 9 eventi pluviometrici del 23. I campioni prelevati, che ammontano complessivamente a 119, sono stati analizzati con riferimento ai seguenti parametri: conducibilità, COD, BOD 5, idrocarburi, solidi totali, solidi sedimentabili, azoto totale, azoto ammoniacale, fosforo, piombo e zinco. Sono inoltre riportate le determinazioni delle analisi sui primi 6 campioni di un evento effettuate per quantificare gli inquinanti disciolti nella fase liquida e quelli adesi alla fase solida. Infine, la memoria illustra l equipaggiamento sperimentale e i primi dati di qualità delle acque di dilavamento del casello autostradale di Cremona. Sono stati analizzati i campioni prelevati a seguito di 12 eventi pluviometrici ricercando cloruri, solfati, alluminio, azoto (nitrico, nitroso, ammoniacale e totale), BOD 5, COD, idrocarburi, ferro, rame, zinco, fosforo, solidi sospesi, cromo, nichel, piombo e valutando il saggio di tossicità acuta con Dapnia Magna. 1. INTRODUZIONE La caratterizzazione della qualità delle acque meteoriche di dilavamento di superfici impermeabili è un problema complesso che ha assunto importanza crescente con lo sviluppo dell urbanizzazione. Numerosi studi, spesso basati su campagne di monitoraggio, sono stati * Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale, Università degli Studi di Pavia, via Ferrata Pavia 1

2 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) condotti a partire dai primi anni settanta per valutare la qualità delle acque meteoriche di dilavamento sia di bacini urbani che di superfici di pertinenza di infrastrutture viarie e per caratterizzare i fenomeni che governano la dinamica degli inquinanti in sistemi fognari unitari e separati (De Filippi e Shih, 1971; Sartor e Boyd, 1974; Wanielista et al., 1977; Lindholm e Balmèr, 1978; Novotny e Chester, 1981; Ellis e Revitt, 1982; Reinertsen, 1982; Lygren et al., 1984; Berndtsson et al., 199; Bujon e Herremans, 199; Muschack, 199; Tong, 199; Hamilton e Harrison, 1991; Ball et al., 1998; Deletic e Mahsimivic, 1998; Irish et al., 1998; Saget et al.,1998; Sansalone et al., 1998; Legret e Pagotto, 1999; Sansalone et al., 22; Vaze e Chiew, 22). Anche in Italia, a partire dai primi anni ottanta, sono stati equipaggiati alcuni bacini urbani per studiare la trasformazione afflussi deflussi (Veltri, 1988; Papiri, 1989; La Loggia e Viviani, 1992; Ciaponi e Papiri., 1994) e, successivamente, per alcuni di questi bacini, l indagine è stata estesa alla caratterizzazione della qualità delle acque di dilavamento (Artina et al., 1997; Milano et al., 22; Ciaponi et al., 22). I dati sinora disponibili costituiscono un importante data-base, ma le variegate tipologie urbanistiche, socio-economiche e le diverse caratteristiche climatico-pluviometriche della realtà italiana impongono ulteriori misure di campo. Con la finalità di arricchire la disponibilità di dati sperimentali sulla qualità delle acque meteoriche di dilavamento, nel 23 è stata condotta un ulteriore campagna di monitoraggio nel bacino urbano di Cascina Scala (Pavia). Solo di recente, in Italia, sono state realizzate installazioni sperimentali in aree di pertinenza di infrastrutture viarie (Artina e Maglionico, 23; Calabrò et al., 23; Barco et al., 24). I primi dati di qualità delle acque di dilavamento dell area di pertinenza del casello autostradale di Cremona vengono presentati in questa memoria. 2. SITO ED EQUIPAGGIAMENTO SPERIMENTALE DI CASCINA SCALA Cascina Scala è un quartiere esclusivamente residenziale localizzato nella periferia nord della città di Pavia. L area è pianeggiante, con leggera pendenza (,15%) in direzione NW SE. Dal maggio 21, a seguito del completamento di un intervento edilizio, l area totale contributiva del bacino ammonta a 12,68 ha; il 62% di tale area è impermeabile, costituita da tetti, prevalentemente a falda (22,7%) e da strade e superfici pavimentate (39,6%), mentre il 38% è permeabile. La popolazione totale residente ammonta a 1.5 abitanti. Il sistema fognario che drena il bacino è di tipo unitario e si compone di 42 tronchi il cui sviluppo longitudinale complessivo ammonta a 2.45 m. Maggiori dettagli sulle caratteristiche del bacino e della rete di drenaggio sono presenti in altre memorie (Ciaponi e Papiri, 1994). 2

3 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona Ricerche sperimentali sulla trasformazione afflussi-deflussi in tale bacino sono in atto dal 1989 (Papiri, 1989). Nel bacino, le piogge sono registrate mediante due pluviografi SIAP con sensore di precipitazione UM 755, con funzionamento a bascula; la precipitazione è rilevata con una risoluzione di,2 mm, registrando l istante di ogni basculamento in ora, minuto e secondo. La presenza di due pluviografi consente di valutare l uniformità spaziale delle precipitazioni sul bacino e di stimare con buona precisione i volumi di afflusso meteorico. Le portate defluenti in fognatura sono misurate in corrispondenza della sezione terminale del bacino mediante un modellatore a risalto con misura del tirante idrico effettuata tramite un misuratore di livello a bolle ISCO, modello 423. Le caratteristiche qualitative delle acque defluenti in fognatura sono determinate mediante misure in situ e analisi di laboratorio su campioni prelevati in corrispondenza della sezione terminale del bacino. Le misure in situ riguardano la temperatura e la conducibilità elettrica e vengono effettuate mediante l impiego di una sonda multiparametrica YSI, programmata per l acquisizione dei dati con una frequenza di due minuti. Le analisi di laboratorio vengono effettuate su campioni prelevati in modo automatico, secondo sequenze opportunamente programmate, per mezzo di un campionatore refrigerato ISCO 67 SR dotato di 24 contenitori da 1 litro. 2.1 DATI ACQUISITI Nel 23 è stata condotta la terza campagna sperimentale sul bacino urbano di Cascina Scala. I dati acquisiti si riferiscono a 9 eventi pluviometrici nel corso dei quali sono stati prelevati, per le successive analisi, 119 campioni. Le due precedenti campagne di monitoraggio avevano interessato 14 eventi meteorici, per un totale di 162 campioni; i risultati di tali campagne sono stati presentati in altra memoria (Ciaponi et al., 22). Le principali caratteristiche dei 23 eventi campionati nelle tre campagne sperimentali sono presentate in tabella 1. La variabilità del numero di campioni prelevati per i diversi eventi è dovuta sia alla programmazione del campionatore, che abilita il prelievo solo in presenza di un livello idrico minimo in fognatura, sia, in qualche caso, a problemi di funzionamento del campionatore connessi al prelievo di acque grezze. La tabella 2 riporta, per ciascun evento, il volume di deflusso, le masse e le concentrazioni medie (EMC), minime e massime di SS e BOD 5 associate all idrogramma di piena, mentre la tabella 3 mostra il campo di variabilità dei principali parametri inquinanti per i 281 campioni prelevati in tempo di pioggia. I risultati delle analisi sui campioni prelevati nella campagna del 23 sono presentati nella tabella 4, mentre le figure dalla 1 alla 9 mostrano ietogramma, idrogramma e punti di 3

4 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) campionamento degli eventi esaminati. Inoltre, in tabella 5 si illustrano le determinazioni degli inquinanti disciolti nella matrice liquida e adesi alla fase solida nei primi campioni dell evento del 31 luglio 23. Per tale evento, dapprima sono stati determinati i solidi sedimentabili, successivamente sono state miscelate e centrifugate le coppie di campioni di prelievi contigui e, infine, le analisi sono state effettuate sulle due fasi ottenute dalla centrifugazione. Non è stato possibile indagare la matrice solida per i campioni successivi al sesto per l esiguità di tale matrice. Tabella 1 Principali caratteristiche degli eventi campionati Evento Data N. campioni prelevati Altezza pioggia [mm] Durata pioggia [min.] Altezza massima su 5 min. [mm] Altezza massima su 1 min. [mm] Tempo secco antecedente (TSA) [d] T media del TSA [ C] 1 1/6/ 1 12,8 11 8,8 12,4 4,2 21,6 2 11/6/ 5 35, ,7 14,7,4 18,2 3 11/6/ 3 11, ,7 4,3,5 19, 4 13/6/ 1 2, 3,8,9,8 22,7 5 23/6/ 18 16,4 18 4,5 7,6 1,8 22, 6 28/6/ 12 15,6 23 7,5 12,9 4,8 2,3 7 8/7/ 8 7, 5 5,1 5,8 3,3 25,9 8 1/7/ 12 11, 64 3,4 5,7 1,8 25,8 9 11/7/ 4 1, ,3 2,4,9 23,5 1 13/3/1 12 3,8 247,4,5,3 8, /3/ , ,8 3,3 3,9 1, /3/ , ,7 2,7 11, 11,6 13 1/4/1 16 8,4 11 1, 1,8 3,3 1,7 14 2/4/ ,8 38 2,3 3,3, 6,9 15 2/3/3 7 4,8 1,8 1,4,6 7,1 16 9/4/3 5 18, 862,4,7 5,7 6, /4/ ,4 964,8 1,4 1,2 5, /6/3 2 38, ,4 17,4 29,9 25, /7/ , , 3,5 25,9 24,3 2 31/7/3 2 16, ,5 2,5 6,8 24, 21 24/9/3 9 8, ,8 2,2 14,2 18, 22 27/1/3 5 1,4 727,3,5 1,6 3,3 23 3/1/ ,8 1132,8 1,5 1,6 4, 4

5 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona Tabella 2 Volume di deflusso, masse, concentrazioni medie (EMC), minime e massime di SS e BOD 5 degli eventi campionati Evento Data Volume deflusso [m 3 ] Masse [kg] EMC [] Concentrazioni minime e massime [] SS BOD 5 SS BOD 5 SS BOD 5 1 1/6/ 646 (*) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) /6/ 1766 (*) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) /6/ 52 - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) /6/ 4 - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) /6/ ,7 129, /6/ 779 (*) 52,9 121, /7/ ,9 78, /7/ , 26, /7/ ( ) - ( ) - ( ) - ( ) /3/ ( ) - ( ) - ( ) - ( ) /3/ ,9 98, /3/ ,3 (^) 18,4 (^) 434 (^) 372 (^) /4/ ,3 117, /4/ ,5 197, /3/ ,6 124, /4/ ( ) - ( ) - ( ) - ( ) /4/ ,9 69, /6/ (*) 995,3 488, /7/ , 97, /7/ ,4 91, /9/ , 61, /1/ ( ) - ( ) - ( ) - ( ) /1/ ,6 (^) 48,7 (^) 168 (^) 98 (^) (*) Eventi in cui la rete è andata in pressione. ( ) Numero insufficiente di campionamenti. ( ) Distribuzione temporale dei prelievi che non consente una corretta valutazione della massa totale associata all evento. (^) Valutazione condotta sulla prima parte dell evento dove sono stati prelevati i campioni. 5

6 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) Tabella 3 Campo di variabilità dei parametri di qualità dei 281 campioni prelevati in tempo di pioggia Parametro Unità di misura Valore minimo Valore massimo Conducibilità specifica µs/cm COD BOD Idrocarburi,1 95,5 Solidi totali Solidi sedimentabili ml/l, Azoto totale 1,51 128,6 Azoto ammoniacale,45 39,6 Fosforo,22 26,9 Piombo,1 13,1 Zinco,1 9,73 Tabella 4 Qualità delle acque defluenti nel sistema fognario durante gli eventi del 23: risultati delle analisi sui campioni SC µs/cm COD BOD 5 HC SS TOT SS SED ml/l N TOT N AMM P Pb Zn Evento 15 2/3/ , ,4 3,6 28, 11,7,32 1, , ,5 13,4 12,4 12,2,36 1, , ,1 11,9 7,41 11,9,33 1, , ,3 11,2 1, 13,5,31 1, , ,3 1,2 8,2 3,99,87, , ,2 7, 6,28 7,7,2, , ,3 7,26 6,69 4,5,134,48 Evento 16 9/4/ , ,9 6,6 7,74 6,14,24, ,1 9 22,9 28,4 7,84 5,57,22, ,8 1 25,7 39,1 7,14 5,48,23, , ,9 27,9 6,93 4,17,19, , ,1 1 8,13 4,49,2,44 Evento 17 11/4/ ,6 7 8,57 14,3 4,5 2,26,14, , ,9 2,8 4,89 4,74,18, , ,9 17,6 3,38 4,95,23, ,4 7 2, 2,6 3,33 4,48,22, ,71 1 2, 23,5 3,29 4,78,24, ,4 8 13,3 21,7 2,6 3,64,18, , ,4 37,8 1,83 2,5,18,27 6

7 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona Tabella 4.bis Qualità delle acque defluenti nel sistema fognario durante gli eventi del 23: risultati delle analisi sui campioni SC µs/cm COD BOD 5 HC SS TOT SS SED ml/l N TOT N AMM P Pb Zn Evento 17 11/4/ ,6 6 11,4 28,4 2,53 2,93,18, , ,71 17,9 2,59 1,41,14, , ,28 8 2,14 38,3 2,1,71,21, ,99 4 1,43 11, 1,26,6,4, , ,17 2 1,29 6,52 2,37,53,4, , ,76 2,71 9,3 2,36,38,6, , ,3 4,8 5,57 2,23,46,4, , ,4 2,67 14,1 2,9,31,4, , ,84 2,14 1,4 2,3,39,4, , ,1 6 1,14 6,9 2,1 1,17,13 1, , ,93 6 1,57 9,9 2,1,31,4, , ,4 2,67 8,2 2,49,47,4,14 Evento 18 28/6/ , ,5 67,3 19,9 9,33,43 3, , , 29,7 9,15 4,83,28 3, , ,75 26,7 6,92 1,2 <,1, , ,3 34,6 5,5,7 <,1 <, , ,5 19,6 4,87,83 <,1 <, , ,29 6,83 1,68,58 <,1 <, , ,75 4,72 1,46,25 <,1 <, , ,5 8,56 1,4,3 <,1 <, , ,35 3,8 1,41 <,1 <,1 <, , ,33 5,65 1,41 <,1 <,1 <, , ,63 8,97 1,6,33 <,1, , ,21 13,8 1,8 <,1 <,1 <, , , 16,5 2,1 <,1 <,1 <, , , 1, 2,24 <,1 <,1 <, , ,5 14,1 2,11 1, <,1 9, , , 8,29 1,62,33 <,1 6, ,67 7 2,5 9,71 1,2 <,1 <,1 4, , ,1 9,79 1,13 <,1 <,1 2, , ,58 5,87 1,3 1, <,1 3, , ,5 7,2 1,18 <,1 <,1 1,15 Evento 19 24/7/ , , 56 2, 7,96,27, , , 53 12,1 9,19,26 1, , , 27,8 5,28 6,58,21,78 7

8 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) Tabella 4.ter Qualità delle acque defluenti nel sistema fognario durante gli eventi del 23: risultati delle analisi sui campioni SC µs/cm COD BOD 5 HC SS TOT SS SED ml/l N TOT N AMM P Pb Zn Evento 19 24/7/ , , 24,5 4,3 4,9,15, , , 9,79 2,76 2,44,8, , , 13,7 6,44 2,19,7, ,4 26 5, 8,15 1,72 1,98,7, , , 7,52 1,19 1,82,5, , , 5,88 1,9 1,7,9, , , 7,17 1,83 1,24,5, , ,5 5,76 2,51 1,9,3, , , 4,49 1,68 1,18,3,15 Evento 2 31/7/ , ,6 32,7 4,55,125, , ,9 18,3 14,9 2,44,118 1, , ,5 5,75 1,71,1, , ,26 11,2 1,1 1,46,1, ,2 45, ,5 9,75 2,11 2,3,4, ,2 48, ,16 6,64 5,18 1,71,1, ,4 34, ,63 5,97 1,5 2,14,1, ,4 35, ,5 8,38 5,56 1,74,1, , ,73 5,96 1,52,1, ,6 4 1,2 36 1,5 6,33 4,65 1,84,1,9 Evento 21 24/9/ , , 128,6 18,8 26,9,44 1, , , 5,7 1,5 11,2,16, , ,1 26,1 6,44 7,81,11, , ,7 48,9 2,54 11,3,16, , , 3,9 6,1 6,56,1, , ,2 23,2 5,53 4,72,6, , ,67 15,4 4,97 3,53,4, , ,21 11, 5,55 2,2,2, , , ,89 12,5 2,56 2,74,3,4 Evento 22 27/1/ , ,6 8,22 2,54,6, , ,1 5,83 4,5,7, , ,7 7,93 5,18,12, , ,83,5, , , ,7 11,1 2,19,5,19 8

9 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona Tabella 4.quater Qualità delle acque defluenti nel sistema fognario durante gli eventi del 23: risultati delle analisi sui campioni SC µs/cm COD BOD 5 HC SS TOT SS SED ml/l N TOT N AMM P Pb Zn Evento 23 31/1/ , , 16,1 1,3 1,47,2, , , 27,2 2,8 3,51,5, , , 31,4 13,2 3,48,5, , , 21,5 11,2 2,71,6, , , 28,6 9,61 4,29,9, , , 27,3 14,5 3,32,8, , , 31,8 17,9,48,1, , , 26,1 13,6 3,9,5, , , 24, 12,7 2,91,5, ,3 35 1,5 26,1 15,4 3,16,4, ,98 2 9,47 21,5 13,2 2,23,3, , ,6 31,4 15,8 3,96,7, , ,5 23,1 21,7 1,85,3, , ,29 21,5 15,7 1,44,2, ,41 9 6, 19,4 12,8 2,7,3, , ,6 21,4 11,9 3,22,4, ,48 8 3,68 15,1 1,7 1,67,3, , ,16 12, 8,57 1,12,2, ,26 5 1,11 1,5 8,34,99,2, , ,22 1,3 6,7 1,4,3, , ,33 1,1 7,65,98,2, ,3 45 1,67 7,5 6,51 1,8,2,19 9

10 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) Portata [m 3 /s] ,12,24,36,48, Tempo [min] Intensità [mm/min] Figura 1 Ietogramma, idrogramma e campionamenti delle acque defluenti nel sistema fognario durante l evento N. 15-2/3/23 Porlata [l/s] ,6,12,18,24, Tempo [min] Intensità [mm/min] Figura 2 Ietogramma, idrogramma e campionamenti delle acque defluenti nel sistema fognario durante l evento N. 16-9/4/23 1

11 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona 2 Portata [l/s] ,1,2,3,4 Intensità [mm/min] Tempo [min],5 Figura 3 Ietogramma, idrogramma e campionamenti delle acque defluenti nel sistema fognario durante l evento N /4/23 2 Portata [l/s] ,2 2,4 3,6 4,8 Intensità [mm/min] Tempo [min] 6 Figura 4 Ietogramma, idrogramma e campionamenti delle acque defluenti nel sistema fognario durante l evento N /6/23 11

12 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) Portata [l/s] ,3,6,9 1,2 1, Tempo [min] Intensità [mm/min] Figura 5 Ietogramma, idrogramma e campionamenti delle acque defluenti nel sistema fognario durante l evento N /7/23 Portata [l/s] ,3,6,9 1,2 1, Tempo [min] Intensità [mm/min] Figura 6 Ietogramma, idrogramma e campionamenti delle acque defluenti nel sistema fognario durante l evento N. 2-31/7/23 12

13 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona Portata [l/s] ,25,5,75 1 1, Tempo [min] Intensità [mm/min] Figura 7 Ietogramma, idrogramma e campionamenti delle acque defluenti nel sistema fognario durante l evento N /9/23 Portata [l/s] ,3,6,9,12, Tempo [min] Intensità [mm/min] Figura 8 Ietogramma, idrogramma e campionamenti delle acque defluenti nel sistema fognario durante l evento N /1/23 13

14 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) Portata [l/s] ,1,2,3,4, Tempo [min] Intensità [mm/min] Figura 9 Ietogramma, idrogramma e campionamenti delle acque defluenti nel sistema fognario durante l evento N /1/23 Tabella 5 Inquinanti disciolti nella fase liquida e adesi alla fase solida nei primi 6 campioni dell evento N. 2-31/7/23 Parametri Conc. sul tal quale [] Conc. matrice liquida [%] Conc. matrice solida [%] Conc. sul tal quale [] Conc. matrice liquida [%] Conc. matrice solida [%] Conc. sul tal quale [] Conc. matrice liquida [%] Conc. matrice solida [%] Campioni 1-2 Campioni 3-4 Campioni 5-6 COD BOD Fosforo 11, , , Piombo,125 1,118 1,88 1 Zinco, , , ANALISI DEI DATI ACQUISITI Le determinazioni analitiche sui campioni prelevati in tempo di pioggia confermano l elevato grado di inquinamento delle acque defluenti in fognatura in tempo di pioggia. Le concentrazioni di inquinanti presentano una forte variabilità da evento ad evento e, per uno stesso evento, da campione a campione. I valori di EMC di SS e BOD 5 assumono valori confrontabili con quelli connessi alle acque reflue di tempo asciutto e superano abbondantemente i limiti di emissione 14

15 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona stabiliti dal D. Lgs 152/99 per lo scarico in acque superficiali. I valori più elevati di tali inquinanti si riscontrano sovente nella prima parte dell idrogramma di piena. Significativo per alcuni campioni è anche il tenore dei metalli pesanti (piombo e zinco). La tabella 5 mostra che il BOD 5 e il COD, presentano una frazione piuttosto consistente associata alla matrice solida. Anche i metalli pesanti sono risultati in prevalenza connessi alla fase solida (1% per il piombo; 54-95% per lo zinco). In particolare, le elevate percentuali di zinco nella matrice solida sono giustificate dalla tendenza di tale metallo a passare dalla forma disciolta a quella adesa in presenza di rifiuti organici che si comportano come scambiatori cationici. Tale fenomeno è tanto più accentuato quanto più l ambiente è basico. La quantificazione del carico inquinante in fase solida riveste un grande interesse nella valutazione dell efficacia dei sistemi di controllo degli scarichi di acque meteoriche basati sulla separazione dei solidi come, ad esempio, gli scaricatori a vortice e merita ulteriori approfondimenti sperimentali. Tra i parametri indagati rivestono particolare importanza i solidi sospesi che, nelle aree urbane, rappresentano un indice sintetico del livello di inquinamento generale. Inoltre, i solidi sospesi sono sovente impiegati nei modelli matematici che simulano la dinamica degli inquinanti delle acque di dilavamento. Pertanto, è estremamente importante conoscere la correlazione esistente tra i solidi sospesi e gli altri parametri indicatori di inquinamento. In particolare, questa memoria focalizza l attenzione sul legame presente tra solidi sospesi e BOD 5. Le due campagne di giugno-luglio 2 e marzo-aprile 21 hanno mostrato un legame forte tra BOD 5 e SS e hanno evidenziato una sistematica diversità di questo legame per i campioni prelevati in periodi differenti (Ciaponi et al., 22). Il differente comportamento delle due successioni è stato attribuito alle diverse temperature esterne e alle differenti caratteristiche pluviometriche. Da un lato, la temperatura del tempo secco antecedente l evento meteorico (T mtsa ) condiziona la cinetica di degradazione della sostanza organica e, quindi, la rapidità di abbattimento del BOD, dall altro, le caratteristiche pluviometriche e, in particolare, l intensità di precipitazione governano il distacco e il trasporto di sedimenti in rete fognaria. Nel grafico a dispersione di figura 1 le coppie di punti BOD 5 -SS sono divise in due gruppi: quello degli eventi primaverili e autunnali (T mtsa =3-12 C) e quello degli eventi estivi (T mtsa =18-26 C). I segmenti interpolanti presentano leggi sensibilmente diverse: BOD 5 =,6395 SS per T mtsa =3-12 C [R=,9] BOD 5 =,3998 SS per T mtsa =18-26 C [R=,9] Le condizioni climatiche della realtà in esame giustificano le linee di tendenza riscontrate: in estate le temperature sono più alte e le intensità di precipitazione mediamente più consistenti 15

16 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) rispetto alle stagioni primaverile e autunnale; risulta così più accelerata la degradazione della sostanza organica e facilitato il distacco dei sedimenti presenti sulle superfici dilavate. 3 BOD5 [] C C SS [] Figura 1 Legame tra BOD 5 e SS nei 281 campioni analizzati (T mtsa =3-12 C: 156 campioni; T mtsa =18-26 C: 125 campioni) La figura 11 mostra, per l evento N /4/3, l idrogramma di piena e le concentrazioni di SS e COD rilevate nei campioni. Inoltre, è rappresentato il valore di portata corrispondente a 5 volte la portata media di tempo secco (DWF). Dalla figura si evince che, per tale evento, uno scaricatore di piena con portata di soglia pari a 5 DWG risulta poco efficace sul controllo delle masse e delle concentrazioni di inquinante sversate nel ricettore. Nella figura 12 sono riportate in forma adimensionale le masse di SS transitate in funzione dei volumi di deflusso per gli eventi del 2-21 e del 23. In tali grafici è evidente il fenomeno del first flush: la massa dilavata è rilevante all inizio dell evento e tende ad attenuarsi con il progredire della precipitazione. Ciò ha conseguenze importanti sulla scelta e sul dimensionamento dei sistemi di controllo degli scarichi; dai dati raccolti emerge, infatti, che una vasca di 25 m 3 /ha imp intercetterebbe mediamente una percentuale di massa di solidi sospesi dilavata pari al 48%, mentre vasche dimensionate su 5 m 3 /ha imp e 1 m 3 /ha imp catturerebbero rispettivamente il 69% e l 88% della massa dilavata (Barco et al., 24). 16

17 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona Portata [l/s] Concentrazione [] Tempo [min] Portata di sfioro = 5 DWF SS COD Figura 11 Idrogramma e concentrazioni di SS e COD nell evento N /4/ SS/SS TOT.5.25 SS/SS TOT V/V TOT V/V TOT Figura 12 Fenomeno del first flush per gli eventi monitorati nel 2-21 e nel 23 17

18 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) 3. SITO ED EQUIPAGGIAMENTO SPERIMENTALE DI CREMONA Il sito sperimentale di monitoraggio è localizzato presso il casello di Cremona lungo l autostrada Brescia-Piacenza (A21), caratterizzato da un traffico medio giornaliero di circa 6.5 veicoli per ciascun senso di marcia e da mezzi in transito in prevalenza leggeri (68 % dei totali). L area drenata è costituita dalla sede stradale antistante la barriera di pedaggio e da un parcheggio, prevalentemente utilizzato dagli impiegati della Società Autostradale che qui ha una sede operativa. La superficie contributiva totale è di 2.56 m 2, di cui l 86,5 % è impermeabile (53,4 % superfici asfaltate, 18,1 % aree coperte e 15 % aree a parcheggio in asfalto), mentre il 13,5 % è permeabile (manto erboso). La rete di drenaggio ha uno sviluppo longitudinale di 198 m. L impianto sperimentale è stato realizzato sia per la caratterizzazione qualitativa delle acque di dilavamento dell area in esame sia per il monitoraggio dei rendimenti di abbattimento delle sostanze inquinanti di un dispositivo source area treatment, chiamato EcoDrain TM. All estremo di valle della rete di drenaggio, a monte di un esistente disoleatore, un manufatto partitore appositamente realizzato ai fini del monitoraggio deriva e convoglia all impianto sperimentale una portata Q I, circa pari al 1% della portata totale drenata dall area in esame. La portata Q I in ingresso all impianto sperimentale, rappresentato in fig. 13, viene suddivisa da un secondo manufatto partitore in due parti grosso modo uguali: la portata Q G che viene convogliata ad un sistema di stoccaggio S G formato da due recipienti adibiti alla raccolta dell acqua grezza, e la portata Q E che va ad alimentare il dispositivo EcoDrain TM. La portata Q E in ingresso al dispositivo EcoDrain TM, genera poi due portate; la prima (Q T * ), che attraversa in verticale il comparto di filtrazione e subisce pertanto un trattamento integrale e l altra (Q B ) che bypassa, totalmente o parzialmente, l unità di filtrazione. Entrambe le portate sono inviate a due sistemi di stoccaggio: S T per l acqua filtrata e S B per l acqua bypassata, ciascuno formato da due recipienti. Quando uno dei tre sistemi di stoccaggio è pieno, al fine di evitare la miscelazione dell acqua stoccata con le portate in arrivo (presumibilmente meno cariche), un elettrovalvola, posta a monte del secondo partitore, interrompe l alimentazione del sistema. Il volume massimo immagazzinabile è pari a 25 l nell invaso S G, mentre è di 13 l per ciascuno degli invasi S T e S B. La capacità di stoccaggio dell apparato sperimentale corrisponde quindi ad un altezza massima di precipitazione di circa 18 mm (assumendo un coefficiente di afflusso pari a,9). Il protocollo di monitoraggio prevede che, al termine di ogni evento meteorico, vengano misurati i volumi immagazzinati W G, W T e W B nei tre sistemi di stoccaggio S G, S T e S B, e che, previo accurato mescolamento, vengano prelevati dai tre sistemi di stoccaggio i campioni per la determinazione analitica delle concentrazioni medie C G, C T e C B relative ad ogni contaminante esaminato e che i sistemi di stoccaggio vengano svuotati e puliti. La presente memoria illustra i primi risultati dell indagine tesa alla caratterizzazione delle acque di dilavamento; si rimanda ad altra pubblicazione per la descrizione dettagliata del sito sperimentale, del dispositivo EcoDrain TM e della sua validazione idraulica (Ciaponi et al., 25). 18

19 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona Sistema di stoccaggio S G Elettrovalvola Q G Sistema di stoccaggio S T Q I Manufatto partitore N. 2 Q E * Q T Q B Sistema EcoDrain Sistema di stoccaggio S B Figura 12 Equipaggiamento sperimentale del sito di Cremona 3.1 DATI ACQUISITI Durante la campagna sperimentale, tuttora in corso di svolgimento, è stata indagata la qualità delle acque di dilavamento dell area in esame a seguito di 12 eventi pluviometrici. La tabella 6 illustra le caratteristiche principali degli eventi campionati, mentre la tabella 7 presenta i risultati delle analisi sui campioni. Tabella 6 Principali caratteristiche degli eventi campionati N. campione Data di campionamento Ora di campionamento Tempo secco antecedente [d] Altezza di pioggia [mm] 1 26/2/4 11: 3,6 15,6 2 1/3/4 14:3 8,3 34,4 3 12/3/4 8: 1,4 24,8 4 24/3/4 14: 11,3 23,6 5 19/4/4 14:3 16,2 22,8 6 5/5/4 14: 1,4 24,2 7 24/5/4 14: 16,3 23,4 8 22/6/4 9: 5,6 14,8 9 27/7/4 9: 7,8 35,8 1 15/9/4 9: 49,6 24, /1/4 9: 7,2 34,8 12 3/12/4 9: 18, 19, 19

20 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) Tabella 7 Qualità delle acque di dilavamento del casello di Cremona: risultati delle analisi sui campioni Parametro 26/2 1/3 12/3 24/3 19/4 5/5 Cloruri 213 1, Cl - Solfati SO 4 Alluminio µg/l Al Azoto nitrico,36,3,9 <,9,6,38 N Azoto nitroso,11,8,6,1,2,5 N Azoto ammoniacale,8,52 1,3,89,33,3 N Azoto totale 1, < 1 N BOD O 2 COD O 2 Idrocarburi,14,3,52,45 <,5 <,5 Ferro µg/l Fe Rame µg/l Cu Zinco µg/l Zn Fosforo totale,6 <,3,6,6 <,3 <,3 P Solidi sospesi Cromo (somma) <1 <1 µg/l Cr Nichel <1 <1 µg/l Ni Piombo µg/l Pb Saggio di tossicità con Dapnia Magna % di immobili dopo 24 h Parametro 24/5 22/6 27/7 15/9 27/1 3/12 Cloruri Cl - Solfati SO 4 Alluminio µg/l Al Azoto nitrico,45 <1,7,3,5,7 N Azoto nitroso,7,36,6,7,7,11 N Azoto ammoniacale,3,58 1,6,74,78 1,11 N Azoto totale, N BOD O 2 COD O 2 Idrocarburi <,5 <,5 <,5 <,5 <,5 <,5 Ferro 664 1, ,52 µg/l Fe Rame ,6 213 µg/l Cu Zinco 3, µg/l Zn Fosforo totale <,3 <,3 <,3 <,3 <,3,7 P Solidi sospesi Cromo (somma) <1 <1 <1 <1 <1 <1 µg/l Cr Nichel <1 <1 <1 <1 <1 <1 µg/l Ni Piombo 51 < <1 µg/l Pb Saggio di tossicità con Dapnia Magna % di immobili dopo 24 h 2

21 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona 3.2 ANALISI DEI DATI ACQUISITI Le concentrazioni di inquinanti cadono in un range abbastanza ampio come riscontrato da Legret e Pagotto sul tratto Loire-Atlantique dell autostrada francese A21 (Legret e Pagotto, 1999). Le concentrazioni di cloruri sono più alte in inverno quando il sale (NaCl) viene sparso sulle superfici impermeabili per evitare la formazione di ghiaccio. BOD 5, COD, azoto e fosforo presentano concentrazioni poco consistenti perché l area è soggetta a frequenti operazioni di pulizia. Inoltre, l alta frequenza di pulizia impedisce di apprezzare la correlazione esistente tra tempo secco antecedente l evento meteorico e solidi sospesi. Infine, le concentrazioni di metalli pesanti sono piuttosto elevate perché gli usuali mezzi di pulizia del manto stradale presentano bassa efficacia nella rimozione delle particelle più fini alle quali appartiene la maggior parte degli elementi metallici. 4. CONCLUSIONI Le determinazioni analitiche sui campioni prelevati in tempo di pioggia nella rete fognaria di Cascina Scala confermano l elevato grado di inquinamento delle acque meteoriche di dilavamento di bacini urbani. La qualità di tali acque presenta una forte variabilità connessa alle aleatorie dinamiche di formazione, accumulo e rimozione degli inquinanti sul bacino e nella rete di drenaggio e alle incertezze di campionamento in ambiente eterogeneo. Le determinazioni degli inquinanti condotte separatamente per le matrici liquida e solida mostrano che la prevalenza di sostanza carbonacea e di metalli pesanti è associata alla fase solida; ciò sembrerebbe avvalorare i sistemi di controllo degli scarichi di acque meteoriche basati sulla separazione dei solidi e meriterebbe ulteriori approfondimenti sperimentali. La correlazione esistente tra BOD 5 e SS risulta marcatamente influenzata dalla stagionalità che interviene attraverso la temperatura del tempo secco antecedente l evento meteorico e le caratteristiche pluviometriche. La temperatura esterna agisce sulla cinetica di degradazione della sostanza organica, mentre le caratteristiche pluviometriche intervengono sui fenomeni di distacco e trasporto dei sedimenti. Le analisi confermano la rilevanza del fenomeno del first flush e sembrano corroborare la scelta delle vasche di prima pioggia come presidio efficace per la protezione ambientale dei corpi ricettori. Le analisi sui campioni prelevati a seguito di eventi meteorici nel sistema di stoccaggio che raccoglie una frazione delle prime acque di dilavamento del sito di Cremona mostrano un range di variabilità abbastanza ampio. Le concentrazioni di metalli pesanti risultano piuttosto consistenti nonostante l alta frequenza di pulizia perché gli usuali mezzi di lavaggio del manto stradale 21

22 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) presentano rendimenti scarsi nell abbattimento delle particelle più fini a cui appartiene la maggior parte degli elementi metallici. 5. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Artina S., Maglionico M., Marinelli A., Le misure di qualità nel bacino urbano Fossolo, Modelli quali-quantitativi del drenaggio urbano, 21-78, CSDU, Milano, Italia, Artina S., Maglionico M., Esperienze sperimentali per lo studio e il controllo delle acque di prima pioggia nella città di Bologna, Atti della Giornata di Studio: Acque di Prima Pioggia: Esperienze sul territorio e normativa, Genova, Italia, 67-84, 23. Ball J.E., Jenks R., Ausborg D., An assessment of availability of pollutant constituents on road surfaces, The Science of the Total Environment, 29, , Barco O.J., Ciaponi C., Papiri S., Pollution in storm water runoff. Two cases: an urban catchment and a highway toll gate area, Proceedings of 5 th Int. Conference on Sustainable Techniques and Strategies in Urban Water Management, Lyon, France, 6-1 June 24. Berndtsson R., Hogland W., Larson M., Field measurements and mathematical modelling of pollution buildup and pipe-deposit washout in combined sewers, Proceedings of 5 th International Conference on Urban Storm Drainage, Osaka, Japan, , 199. Bujon G., Herremans L., FLUPOL Modèle de prévision des débits et des flux polluants en réseaux d assainissement par temps de pluie: calage et validation, La Houille Blanche, n. 2, 199. Calabrò P., Freni G., La Loggia G., Viviani G., Esperienze e studi sulla qualità delle acque di pioggia, Atti della Giornata di Studio: Acque di Prima Pioggia: Esperienze sul territorio e normativa, Genova, Italia, 85-12, 23. Ciaponi C., Papiri S., Bacino di Cascina Scala - Codice IT4. Le misure di pioggia e di portata nei bacini sperimentali urbani in Italia, 1-127, CSDU, Milano, Italia, Ciaponi C., Mutti M., Papiri S., Storm Water Quality in the Cascina Scala (Pavia Italy) Experimental Catchment. New Trends in Water and Environmental Engineering, June 24-28, Capri, Italy, 22. Ciaponi C., Papiri S., Todeschini S., Pollution in storm water runoff in a highway toll gate area and performance of a source area treatment technology, 1 th ICUD, Copenhagen, Denmark, August 25. De Filippi J.A., Shih C.S., Characteristics of separated storm and combined sewer flows, Journal of Water Pollution Control Federation, 43,

23 C. CIAPONI, S. PAPIRI, S. TODESCHINI Qualità delle acque meteoriche di dilavamento dei siti sperimentali di Cascina Scala (Pavia) e di Cremona Deletic A.B., Mahsimivic C.T., Evaluation of water quality factors in storm runoff from paved areas, Journal of Environmental Engineering, 124(9), , Ellis J.B., Revitt D.M., Incidence of heavy metals in street surface sediments: solubility and grainsize studies, Water Air Soil Pollution, 17, 87-1, Hamilton R.S., Harrison R.M., Highway Pollution, Elsevier Science Publishing Company Inc., New York, Irish L.B.Jr., Barrett M.E., Malina J.F.Jr., Charbeneau R.J., Use of regression models for analyziong highway storm-water loads, Journal of Environmental Engineering, 124(1), , La Loggia G., Viviani G., Misure delle caratteristiche di qualità delle acque di pioggia nel bacino di Parco D Orleans. Analisi dei primi risultati, Atti del 3 Seminario sui Sistemi di Drenaggio Urbano, Ancona, Italia, Legret M., Pagotto C., Evaluation of pollutant loadings in the runoff waters from a major rural highway, The Science of the total Environment, 235, , Lindholm O., Balmér P., Pollution in storm runoff and combined sewer overflows, Proceedings of the 1 st Int. Conference on Urban Storm Drainage, Southampton, Great Britain, , Lygren E., Gjessing E., Berglind L., Pollution transport from a highway, The Science of the Total Environment, 33, , Milano V., Pagliara S., Dellacasa F., Urban stormwater quantity and quality in the experimental urban catchment of Picchianti, New Trends in Water and Environmental Engineering, June 24-28, Capri, Italy, 22. Muschack W., Pollution of street run-off by traffic and local conditions, The Science of the Total Environment, 93, , 199. Novotny V., Chester G., Handbook of nonpoint pollution: sources and management, Van Nostrand Reinhold Co., New York, Papiri S., Precipitazioni e deflussi nel bacino urbano sperimentale di Cascina Scala (Pavia), Pubblicazione del Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale, Università di Pavia, n. 166, Reinertsen T.R., Quality of stormwater runoff from streets, Proceedings of the First International Conference on Urban Storm Drainage, Southampton, Great Britain, p , Saget A., Chebbo G., Bertrand-Krajewski J., The first flush in sewer system. Procedings of 4 th Int. Conf. Sewer Solids-Characteristics, Movement, Effects and Control, 58-65, Dundee, UK,

24 LA TUTELA IDRICA E AMBIENTALE DEI TERRITORI URBANIZZATI Atti dei seminari. Parma (5-6 febbraio 24) e Cosenza (13-15 dicembre 24) Sansalone J. J., Koran J.M., Smithson J.A., Buchberger S.G., Particle characteristics of urban roadway solids transported during rain events, Journal of Environmental Engineering, 124(5), , Sansalone J.J., Calomino F., Singh V., Zheng T., In situ storm water eco-treatment and recharge through Infiltration: quality and quantity attenuation, Proceedings of 2 nd Int. Conference New Trends in Water and Environmental Engineering for Safety and Life: Eco-compatible Solutions for Aquatic Environments, Capri, Italy, June 22. Sartor J.D., Boyd G.B., Agardy F.J., Water pollution aspects of street surface contaminants, Journal of Water Pollution Control Federation, vol. 46, Tong S., Roadside dusts and soils contamination in Cincinnati, Ohio, USA. Journal of Environmental Management, 14(1), , 199. Vaze J., Chiew F.H.S., Experimental study of pollutant accumulation on an urban road surface, Urban Water, 4, , 22. Veltri P., La qualità delle acque nelle fognature urbane, Tecniche per la difesa dall inquinamento; Atti del 8 Corso di Aggiornamento , BIOS, Cosenza, Wanielista M.P., Yousef Y.A., McLellon W.M., Nonpoint sources effects on water quality, Journal of Water Pollution Control Federation, vol. 49, RINGRAZIAMENTI Questo lavoro è stato cofinanziato dal MIUR nell ambito del progetto di ricerca PRIN 22 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. 24