Università degli Studi di Bologna

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1 Università degli Studi di Bologna FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Civile Indirizzo Idraulica Insegnamento di Tecnica dei Lavori Idraulici LS SIMULAZIONE QUALI QUANTITATIVA DELLA RETE FOGNARIA DELLA CITTÁ DI MODENA E DIMENSIONAMENTO DI INVASI PER LA MITIGAZIONE DELL IMPATTO DEGLI SCARICATORI DI PIENA Tesi di Laurea di: Alberto BARTOLI Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. Sandro ARTINA Correlatori: Dott. Ing. Marco MAGLIONICO Dott. Ing. Roberto GASPARETTO Dott. Ing. Massimo BORGHI Sessione III Anno Accademico

2 Ai miei genitori e ai miei nonni

3 PAROLE CHIAVE: Modena Modelli di drenaggio urbano Vasche di prima pioggia Scaricatori di piena InfoWorks

4 Indice. Introduzione. 1 Capitolo 1 Effetti dell urbanizzazione sui deflussi meteorici L incremento del deflusso superficiale ed il suo decremento qualitativo La qualità delle acque meteoriche di dilavamento Le fonti di inquinamento ed il fenomeno del build-up Il traffico veicolare L atmosfera Le superfici a tetto Il fenomeno del first flush ed il wash-off Gli effetti della pulizia delle strade eseguita con mezzi meccanici 18 Capitolo 2 Il controllo delle acque meteoriche di dilavamento Il sistema di drenaggio unitario o a rete separata I sistemi di controllo degli scarichi Il controllo ambientale degli scarichi Nuovi sistemi di controllo quali-quantitativo delle acque meteoriche urbane a monte delle reti fognarie 35 Capitolo 3 I modelli numerici di simulazione quali-quantitativa 39 Premessa La classificazione dei modelli di drenaggio urbano Classificazione in dipendenza dello scopo del modello Classificazione in base alla trasformazione afflussi-deflussi Classificazione in base alla variabilità spaziale delle grandezze Classificazione in base alla impostazione teorica 43

5 3.1.5 Classificazione in funzione di linearità e stazionarietà Classificazione in funzione della completezza del modello Classificazione in base al periodo simulato Classificazione in base ai risultati forniti I modelli di qualità nei deflussi urbani I modelli deterministi fisicamente basati InfoWorks CS Capitolo 4 L idrografia modenese fra il Fiume Secchia e il Fiume Panaro 60 Premessa L evoluzione storica della rete scolante modenese La Palude a sud di Modena Le prime proposte di risanamento igienico della città Il risanamento igienico della città nel I bacini fra Secchia e Panaro ed il reticolo idrografico superficiale 68 Capitolo 5 Il modello numerico della rete fognaria della città di Modena La rete di drenaggio della città I Macro Bacini di drenaggio Gli scaricatori di piena principali della rete Calibrazione di tempo asciutto Analisi di sensitività dei parametri idrologici 91 Premessa La scelta dei parametri per l analisi quantitativa Calibrazione e Verifica del modello numerico Analisi di Sensitività dei parametri qualitativi 108

6 Capitolo 6 Analisi delle criticità ambientali e dimensionamento di invasi per la mitigazione dell impatto degli scaricatori di piena 119 Premessa Confronto fra simulazioni in continuo e simulazioni singole Gli eventi simulati in continuo Lo stato attuale della rete I risultati delle simulazioni della serie storica del I risultati delle simulazioni della serie storica del Quadro riassuntivo delle analisi circa lo stato attuale della rete Dimensionamento ed analisi dell efficacia di vasche di prima pioggia Risultati delle simulazioni con vasche da 15 [m3/ha] Risultati delle simulazioni con vasche da 25 [m3/ha] Quadro riassuntivo dei risultati delle simulazioni Abbattimento dei tassi di accumulo 154 Capitolo 7 Analisi delle criticità idrauliche della rete Criticità idrauliche della rete Stima del tempo di corrivazione Risultati delle simulazioni 161 Conclusioni. 165 Bibliografia. 167

7 Introduzione. Nel presente lavoro di tesi ci si è occupati dello studio del comportamento idraulicoambientale della rete di drenaggio a servizio della città di Modena. In particolare si è condotta una valutazione dell effetto che gli scaricatori della rete fognaria in oggetto hanno sul complesso dei corpi idrici riceventi. Tale lavoro si prefigge anche lo scopo di individuare e dimensionare i più efficaci sistemi di controllo degli sversamenti, operati dagli scaricatori stessi, ed infine supportare analisi costi-benefici in vista della realizzazione delle opere di risanamento ambientale necessarie per ottemperare ai vincoli imposti dalla vigente normativa regionale in merito alla gestione delle acque di prima pioggia (Deliberazione G.R. Emilia Romagna 286/2005). Lo studio si è articolato in fasi successive: analisi dello stato di fatto; catalogazione degli scaricatori in esercizio nella rete di drenaggio; determinazione ed analisi dei bacini idrografici e delle superfici scolanti; implementazione di un modello numerico della rete di drenaggio; individuazione e valutazione delle criticità idraulico-ambientali del sistema L attività che ha portato al conseguimento dei risultati che sono raccolti in questa nota è stata svolta in collaborazione con la società HERA Modena s.r.l. a cui compete, fra le altre, la gestione dell intera rete di drenaggio urbano del Comune di Modena. La fase di analisi dello stato di fatto e delle superfici scolanti afferenti ai singoli sottobacini è stata condotta utilizzando lo strumento GIS Arcview; il quale è di supporto, anche ai fini di un appropriata definizione delle caratteristiche specifiche del territorio. Lo studio è stato sviluppato mediante la realizzazione di un modello numerico di simulazione quali-quantitativa con l ausilio del software InfoWorks CS 8.05, distribuito dalla Wallingford Software Ltd UK; messo gentilmente a disposizione dalla società HERA Modena s.r.l. Tale software è un modello fisicamente basato che restituisce l andamento nel tempo sia delle grandezze idrauliche (livelli idrici e portate) sia delle grandezze qualitative (concentrazione e portate solide degli inquinanti) in ogni condotto 1

8 della rete; capace inoltre di gestire le informazioni geometriche e cartografiche ricavate da Arcview. Il primo capitolo contiene una descrizione iniziale degli effetti che l antropizzazione del suolo produce sui deflussi e più in generale sulle caratteristiche naturali del territorio; successivamente illustra specificatamente le caratteristiche qualitative delle acque di pioggia che interessano i bacini urbani e le fonti che ne condizionano le proprietà originarie. Nel secondo capitolo vengono esaminati le diverse opportunità e strumenti per eseguire un controllo sui deflussi urbani sia dal punto di vista quantitativo che da quello qualitativo. Nel terzo capitolo viene proposta inizialmente una classificazione ed una descrizione delle diverse tipologie di modelli numerici e successivamente si pone l attenzione sui modelli di simulazione qualitativa dei deflussi, descrivendo le caratteristiche di quello adottato per l ottenimento dei risultati, richiamando anche le relazioni numeriche che sono alla base delle schematizzazioni dei processi idraulici, idrologici e qualitativi che hanno luogo nel sistema di drenaggio e nei bacini ad esso afferenti. Il quarto capitolo presenta una descrizione del territorio in cui è inserito il sistema oggetto dello studio, con particolare riferimento alle interazioni che questo ha in generale, ma nel caso della città di Modena in particolare, con l idrografia circostante. Vengono qui esaminati i corsi d acqua principali presenti nel territorio compreso fra il Fiume Secchia e il Fiume Panaro, i loro bacini e sottobacini idrografici che in differente misura sono in relazione con quello proprio dell area urbana della città di Modena. Il quinto capitolo è incentrato sul modello numerico di simulazione: nella prima parte sono spiegate in maniera sintetica le procedure seguite per la schematizzazione della rete di drenaggio e dei manufatti presenti in essa; la seconda parte è dedicata alla delicata fase di analisi di sensitività dei parametri quantitativi e qualitativi alla base delle relazioni di calcolo e alla calibrazione idraulica del modello, svolta con grande attenzione e scrupolo. Il sesto capitolo contiene la descrizione delle simulazioni qualitative svolte sul sistema di drenaggio, condotte per valutare il reale e globale impatto che questa ha, attraverso gli scaricatori di piena, sui corpi idrici ricettori. Vengono quindi presentati gli esiti delle simulazioni in continuo, realizzate sulla base delle serie storiche pluviometriche registrate negli anni 2005 e 2006 a Modena dal pluviometro posto in Piazza Roma e 2

9 disponibili con intervalli di registrazione pari a cinque minuti, che hanno consentito di determinare le soluzioni più efficaci per la mitigazione delle criticità ambientali rilevate. Il settimo capitolo conclude il lavoro di Tesi presentando i risultati ottenuti dalle simulazioni svolte con l intento di individuare le criticità idrauliche della rete associandole a determinati tempi di ritorno. 3

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11 Capitolo 1. Effetti dell urbanizzazione sui deflussi meteorici L alterazione dell ambiente naturale è la diretta conseguenza dell uso improprio, eccessivo ed irreversibile delle risorse fondamentali a disposizione dell uomo che ha portato, contestualmente ad un loro sensibile inquinamento (decremento qualitativo) e depauperamento (decremento quantitativo). Nell ultimo cinquantennio l impatto più rilevante lo ha assunto l impermeabilizzazione continua delle aree urbane, ove maggiormente si è manifestata l alterazione del paesaggio, inteso come ecosistema naturale (suolo, acqua, aria, fauna e vegetazione), ed il suo radicale rimodellamento in forme artificiali. 1.1 L incremento del deflusso superficiale ed il suo decremento qualitativo Nelle aree urbane, la concentrazione di residenze, di infrastrutture e di industrie nelle zone periferiche circostanti, ha fatto emergere non pochi problemi connessi con il drenaggio delle acque meteoriche di dilavamento. In particolare, si possono avere gravi conseguenze sia idraulico-quantitative che ambientali-qualitative, che vanno dall insufficienza delle reti di fognatura esistenti e dei corsi d acqua recettori, alla necessità di trattare la frazione più inquinata delle acque meteoriche e di ridurre i volumi idrici ed i carichi inquinanti sversati attraverso gli scaricatori di piena. Sul naturale reticolo idrografico, l urbanizzazione produce, essenzialmente, tre tipi di alterazioni: La ridotta attività vegetazionale (evapotraspirazione), la minore infiltrazione delle acque meteoriche nel sottosuolo ed i contemporanei diffusi prelievi d acqua da esso, condizionano in modo sostanziale il bilancio idrologico, determinando una riduzione della ricarica della falda; 5

12 Il livellamento delle depressioni naturali e la maggiore impermeabilizzazione delle superfici, unita alla consequenziale maggiore velocità degli afflussi superficiali ( coefficiente d afflusso ϕ), in tempo di pioggia, aumentano le portate idrauliche per unità di superficie trasformata ( coefficiente udometrico υ), in emissione ai corpi recettori finali, aggravando i problemi connessi con le esondazioni e la stabilità dei suoli; La quantità e l inquinamento delle acque meteoriche di dilavamento, che interessano gli agglomerati urbani, sempre maggiori rispetto alle circostanti aree rurali, ha ormai assunto un importanza analoga, per il trattamento, a quella delle acque reflue in scarico dagli stessi. Figura Impatto dell urbanizzazione sul ciclo dell acqua [EPA 841-B , 2005] Nell ambito del processo di dilavamento operato dalle acque meteoriche particolare rilevanza assumono le cosiddette acque di prima pioggia: esse sono costituite dal 6

13 volume d acqua meteorica di scorrimento, defluito nei primi minuti di precipitazione e caratterizzato da elevate concentrazioni di sostanze inquinanti. L analisi delle acque di prima pioggia in ambito urbano e in bacini naturali antropizzati è da tempo considerata di primaria importanza, non solo per il controllo dei fenomeni di natura idrologica e idraulica generati in tempo di pioggia, che possono provocare danni a persone e cose, ma anche per il contributo che tali fenomeni possono dare al peggioramento delle caratteristiche di qualità dei corpi ricettori; esso può avvenire sia mediante lo sversamento diretto dei carichi inquinanti attraverso le fognature bianche delle reti a sistema separato e gli scaricatori di piena di quelle a sistema unitario, sia col peggioramento, seppure temporaneo delle prestazioni degli impianti di depurazione a servizio di queste ultime e il conseguente aumento dei carichi anche di origine domestica avviati allo scarico (P. Calabrò, G. La Loggia). Numerosi studi sono stati condotti sulle caratteristiche di qualità delle acque di pioggia, finalizzati all identificazione delle loro caratteristiche fondamentali (definizione delle perdite idrologiche, trasformazione afflussi-deflussi, propagazione dei deflussi sulle superfici dilavate e all interno della rete fognaria, etc.); i risultati così ottenuti consentono di avere un quadro sufficientemente chiaro e generalizzabile sui fenomeni indagati e sui metodi adottabili per la previsione degli eventi di pioggia da utilizzare per il progetto delle opere idrauliche, finalizzate al controllo dei fenomeni di piena in ambito urbano (Zoppou, 2001). Più di recente si è invece sviluppata la ricerca sulle caratteristiche di qualità delle acque di pioggia e sul contributo dato da queste all inquinamento dei corpi idrici. Solamente a partire dagli anni 80, si è infatti riconosciuto che gli interventi di risanamento possono risultare monchi e inefficaci, se limitati solo alla riduzione del carico inquinante prodotto dalle acque nere, mediante il loro drenaggio e trattamento. Le ricerche condotte sulla definizione delle caratteristiche di qualità delle acque di pioggia, peraltro ormai numerose, mettono ancora più in evidenza l indiscusso contributo dato dalle acque di origine meteorica, all inquinamento dei corpi idrici ricettori ed evidenziano la necessità di sviluppare ulteriormente la sperimentazione in tale settore. Tali problematiche sono in questi ultimi anni particolarmente sentite anche a livello europeo, grazie all emanazione di specifiche normative a livello europeo (Direttiva UE 200/60) a livello nazionale (D.lgs. 152/99) e a livello regionale 7

14 (Deliberazione G.R. Emilia Romagna 286/2005; Deliberazione G.R. Emilia Romagna 1860/2006). 1.2 La qualità delle acque meteoriche di dilavamento L inquinamento associato alle acque di scorrimento superficiale delle acque urbanizzate è ormai riconosciuto come una delle maggiori cause dell alterazione della qualità dei corpi idrici ricettori. Nelle aree urbane, infatti, le acque meteoriche dilavano un miscuglio eterogeneo di sostanze disciolte, colloidali e sospese, che comprendono metalli, composti organici e inorganici. Una parte rilevante del carico inquinante delle acque di pioggia proviene dall atmosfera, le cui caratteristiche di inquinamento sono a loro volta funzione delle emissioni gassose industriali e civili, del traffico veicolare e delle particelle trasportate dagli agenti atmosferici. In particolare il carico inquinante di origine atmosferica riguarda principalmente i composti disciolti ( solidi disciolti, cloruri, sodio). Durante gli eventi di pioggia, inoltre, l acqua meteorica di scorrimento opera il dilavamento delle superfici urbane asfaltate causando il trasporto in fognatura di sostanze inquinanti tra le quali, principalmente, solidi sedimentabili (organici o inorganici), elementi nutritivi, batteri, olii e grassi e metalli pesanti, imputabili essenzialmente al traffico veicolare e ad attività antropiche associate. Recentemente è stato dimostrato come anche il dilavamento delle superfici a tetto, rappresenti una fonte di inquinamento considerevole: la presenza di elevate concentrazioni di metalli pesanti in forma disciolta, in particolare Zn, Cd (costituente dei prodotti dello zinco) Cu e Pb, nelle acque di scolo, provenienti dalle superfici a tetto è imputabile alla corrosione di superfici metalliche utilizzate come materiale di copertura e per la realizzazione di grondaie ed infissi. Il fenomeno che determina il dilavamento ed il trasporto della maggior quantità di carico inquinante, operato dal primo volume di acqua ruscellata è noto, nella terminologia anglosassone con il nome di first flush. 8

15 Il carico inquinante, movimentato dai fenomeni di dilavamento, è influenzato dalla qualità dell atmosfera, dall uso del suolo dalla composizione e dalle condizioni della superficie stradale. Si possono distinguere in ambiente antropizzato due tipologie di sorgenti di inquinanti: sorgenti puntuali, come piazzali di siti produttivi, o sorgenti diffuse, come le strade ed i tetti che costituiscono un elevata percentuale della copertura dei bacini urbani. Figura 1.2 L inquinamento dei deflussi meteorici (G. Becciu, 2007) In particolare, l origine delle sostanze depositate sulle superfici delle aree antropizzate è quanto mai varia: attività domestiche quotidiane (discariche abusive, deposizioni fecali di animali, grassi, tensioattivi); attività collegate al traffico veicolare (idrocarburi, sottoprodotti della combustione di carburanti, metalli rilasciati in seguito a fenomeni di corrosione, usura dei pneumetici); attività riguardanti siti in costruzione (polveri, solidi sedimentabili derivanti da fenomeni erosivi); attività svolte in siti produttivi (demolizioni auto, distributori di carburante, autolavaggi). Durante i periodi di tempo secco (assenza di precipitazioni) tali sostanze inquinanti si accumulano sulla superficie dei bacini di drenaggio; il fenomeno è attenuato solamente per effetto della rimozione naturale dovuta al traffico veicolare o al vento, oppure ancora dalla rimozione diretta operata dai mezzi di pulizia delle strade. 9

16 Tuttavia, la mancanza di una definizione univoca in termini quantitativi del fenomeno del first flush, comporta un oggettiva difficoltà nella caratterizzazione delle acque di prima pioggia, sulla base di parametri tecnicamente rappresentativi. La mancata caratterizzazione e determinazione dei volumi interessati da tale fenomeno, rende particolarmente difficoltoso il corretto dimensionamento delle strutture atte a contenerli e trattarli adeguatamente. Nell ambito della gestione dei sistemi di drenaggio urbano, l interesse della ricerca si è pertanto indirizzato, in primo luogo, alla caratterizzazione delle acque di prima pioggia e successivamente ai possibili interventi (compatibili con i sistemi di drenaggio esistenti) per mitigarne l impatto sui corpi idrici ricettori. In questo ambito negli ultimi decenni si sono susseguiti una serie di studi volti all analisi dei processi di accumulo e trasporto di inquinanti, dalle aree antropizzate alla rete di drenaggio e la corpo ricettore. In particolare è stata indagata la porzione di acque di ruscellamento associata ai primi istanti dell evento meteorico e considerata quindi maggiormente inquinante. La caratterizzazione delle acque di dilavamento di superfici antropizzate attraverso campagne di monitoraggio è divenuta, in questo contesto, strumento indispensabile per individuare l effettivo volume di acque di prima pioggia che necessitano di captazione e trattamento. La predisposizione ed installazione di siti pilota di monitoraggio qualiquantitativo, è essenziale per poter sviluppare modellistiche di trasporto di inquinanti per la valutazione di diversi scenari di risposta del sistema di drenaggio e corpo idrico ricettore a eventi pluviometrici. I siti sperimentali indagati negli studi ad oggi condotti, riguardano per lo più aree urbane o superfici autostradali, cioè quelle che possono essere considerate sorgenti di inquinamento diffuse. Nella tabella 1.1 presentata di seguito sono riportati gli intervalli di concentrazione dei più comuni parametri inquinanti riscontrati durante campagne di campionamento condotte in Europa, negli Stati Uniti e in Australia. 10

17 CONCENTRAZIONE MEDIA PER EVENTO (mg/l) SS T BOD 5 COD NH 4 Pb Sistema fognario pluviale Scaricatore di piena di un sistema fognario unitario Autostrade Tetti Cunette stradali Zona residenziale Zona commerciale Industrie Limiti fissati da D.Lgs. 152/1999 Scarico in acque superficiali: acque reflue urbane Scarico in acque superficiali: acque reflue industriali Scarico sul suolo Tabella Intervalli di concentrazione di inquinanti nelle acque di dilavamento di superfici a diversa destinazione [Ellis, 1985] e confronto con i limiti previsti dal D.Lgs. 152/ Le fonti di inquinamento ed il fenomeno del buildup Nelle aree urbane, l acqua di scorrimento superficiale dilava sostanze disciolte, sospese, metalli pesanti, composti organici ed inorganici. In generale la superficie stradale rappresenta la variabile principale che influenza la quantità e la qualità delle acque di scolo; ciò è dovuto al fatto che: per precipitazioni con basse intensità le superfici stradali rappresentano il maggior contributo di acqua di ruscellamento. molti degli inquinanti trasportati dalle acque di scorrimento, sono imputabili al traffico veicolare o ad attività antropiche associate. Tuttavia, oltre al traffico veicolare, si possono identificare ulteriori sorgenti significative quali polveri o altre sostanze che si depositano sulle superfici stradali o a tetto durante i periodi di tempo asciutto e sostanze dilavate dall atmosfera durante gli eventi di precipitazione. Una prima indicazione sulla quantità di sostanze inquinanti presenti sui nostri bacini antropizzati, la si può determinare facendo riferimento ai tassi di accumulo di materiale solido, riportati in tabella 1.2, a cui per altro si associano la maggior parte di sostanze inquinanti, ottenuti in funzione dell uso del suolo specifico di ciascuna area urbana. 11

18 Uso del suolo Accumulo [kg/ha giorno] Zone residenziali densamente abitate Zone residenziali scarsamente abitate 5 6 Zone commerciali 15 Zone industriali 35 Tabella Coefficienti di accumulo del materiale solido sulla superficie stradale in funzione dei vari tipi di urbanizzazione [Alley, 1981] Il traffico veicolare I veicoli costituiscono una fonte diretta e indiretta di inquinamento. Come fonte diretta (Tabella 1.3), i veicoli contribuiscono all accumulo di carico inquinante attraverso i prodotti della combustione (monossido di carbonio, ossidi di azoto), l usura delle guarnizioni dei freni e della frizione e delle altre parti meccaniche in movimento; la composizione e la quantità di particolato emesso dagli scarichi delle auto dipendono da molteplici fattori tra cui il tipo di combustibile e l età del veicolo. E stato valutato che circa il 65% degli idrocarburi derivano da processi di evaporazione che interessano il carburatore e la coppa dell olio, mentre l usura delle parti meccaniche in movimento e la corrosione della carrozzeria comporta principalmente il rilascio di metalli pesanti. Ulteriori cause dirette sono imputabili alla perdita di liquidi lubrificanti, olii e grassi del motore. L usura dei pneumatici causa la presenza di ossidi di zinco, cadmio e composti della gomma. Indirettamente invece, il traffico veicolare è tra le cause che provocano l erosione dei manti stradali e il trasporto di sedimenti da aree di parcheggio strade urbane, siti in costruzione; circa il 95% dei solidi dilavati dalla pioggia hanno, infatti, origini differenti e sono trasportati sulle superfici stradali ad opera degli stessi veicoli. 12

19 Inquinante Solidi Azoto Fosforo Piombo Zinco Ferro Rame Cadmio Cromo Nichel Manganese Cianuro Cloruro di Sodio/Calcio Solfati Idrocarburi PCB PAH Fonte primaria Usura del manto stradale, veicoli, attività di manutenzione Utilizzo di fertilizzanti nelle aree verdi stradali Utilizzo di fertilizzanti nelle aree verdi stradali Scarichi delle auto, usura dei pneumatici, oli e grassi lubrificanti, usura dei cuscinetti Usura dei pneumatici, oli e grassi del motore Ruggine dei veicoli, strutture stradali in acciaio, parti meccaniche in movimento Corrosione della carrozzeria, usura dei cuscinetti e delle spazzole, parti meccaniche in movimento, fungicidi, insetticidi, pesticidi Usura dei pneumatici, pesticidi Corrosione della carrozzeria, parti meccaniche in movimento, usura del rivestimento dei freni Scarico del diesel e della benzina, oli lubrificanti, corrosione della carrozzeria, usura dei freni, usura del rivestimento dei freni, superfici asfaltate Parti meccaniche in movimento, scarichi delle auto Composti anti-gelo Sali anti-gelo Superfici stradali, benzine, sali sgelanti Perdite di lubrificanti, fluidi anti-gelo e idraulici, lisciviazione attraverso superfici asfaltate Catalizzatori PCB in pneumatici sintetici, spray per segnaletica stradale Lisciviazione attraverso superfici asfaltate Tabella 1.3 Inquinanti presenti sulle strade e rispettive fonti (Ball et al., 1998). La quantificazione dei contributi diretti all inquinamento diffuso, imputabili al traffico veicolare, non risulta certamente semplice, numerose ricerche si sono susseguite negli anni e gli esiti di una di queste, che tuttora rappresenta una fonte autorevole in materia è quella realizzata negli Stati Uniti, più precisamente nella città di Washington da D. G. Shaheen nel 1975 di cui si riportano nella tabella xxx i risultati più significativi: Solidi organici 5.1 BOD 0.23 COD 5.4 Oli 0.64 Fosforo totale 0.06 Piombo 1.2 Tabella Percentuali in massa dei solidi totali degli inquinanti dovuti al traffico veicolare [D. G. Shaheen, 1975] 13

20 Occorre inoltre osservare che nei pressi del marciapiede e all interno di una fascia larga un metro, può accumularsi una quantità di sedimenti pari a circa il 95% del valore totale presente sulla sede stradale (Tabella 1.5) Accumulo di solidi [gr/m marciapiede al giorno] Caratteristiche della zona (a) (b) Residenziali-bassa densità 10,4 48 Residenziali-alta densità 34,2 66 Commerciali 49,1 69 Industriali 68,4 127 Tabella 1.5 Solidi accumulati lungo il marciapiede secondo (a) APWAW, Washington; (b) Sartor J.D., Boyd G.B., Agardy F.J L atmosfera Una parte rilevante del carico inquinante delle acque di dilavamento proviene dall atmosfera, le cui caratteristiche di inquinamento sono a loro volta funzione delle emissioni gassose industriali e civili, del traffico veicolare e delle particelle trasportate dagli agenti atmosferici. Durante i periodi di tempo secco si verifica, infatti, il deposito di polveri presenti in atmosfera, mentre durante gli eventi di precipitazione avviene il dilavamento del particolato atmosferico o di altre sostanze inquinanti preesenti in atmosfera. In particolare il carico inquinante di origine atmosferica riguarda principalmente i composti disciolti (solidi disciolti, cloruri, sodio). In una ricerca condotta da Bellinger nel 1982 su 11 eventi monitorati in media circa il 2% dei composti ionici (quali Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, Cl -, So 2-4 ) e il dieci percento dei solidi sospesi (rispetto al carico totale delle acque di dilavamento) provenivano dall atmosfera. Per ogni evento i valori erano tuttavia estremamente variabili con punte del 78% per i costituenti ionici e del 48% per i solidi sospesi. Infine la pioggia rappresenta il mezzo attraverso cui il particolato, originato dagli scarichi veicolari si rideposita a terra. Tramite il monitoraggio di campioni di pioggia (prelevati prima del contatto con la superficie) è stato verificato che la qualità delle acque meteoriche potrebbe influenzare significativamente le concentrazioni di Fosforo e Azoto totali, presenti nelle acque di scolo, (come illustrato in Tabella 1.6) 14

21 Inquinante Deposizione causata dalla pioggia [mg/l] Solidi Sospesi 5-70 COD 8-27 Solfati 5-46 Fosforo totale 0,02-0,37 Azoto nitrico 0,5-0,4,5 Piombo 0,03-0,12 Zinco 0,05-0,38 Tabella Deposizione di inquinanti causata da pioggia e neve (da Bazzurro et al., 2000) Le superfici a tetto Negli anni 90 è stato evidenziato come il dilavamento delle superfici a tetto rappresenti una fonte di inquinamento considerevole (Chang e Crowley, 1993; Foster 1996). Negli scorsi decenni, infatti, lamiere zincate e fogli di rame sono stati comunemente utilizzati sia come materiale di copertura sia per la realizzazione di pluviali (ad esempio l 80% dei tetti di Parigi sono coperti con lamiere di zinco). Qualsiasi metallo esposto agli agenti atmosferici è soggetto a un processo di corrosione; la composizione e la natura dei prodotti di corrosione che si formano sugli strati superficiali, dipendono principalmente dalle condizioni ambientali in termini di unidità, temperatura, deposizione di particolato atmosferico e inquinanti gassosi, quali biossido di zolfo, SO 2, ossidi di azoto, NOx, ozono, O 3, acido cloridrico, HCl, cloruro di sodio, NaCl e solfato di ammonio, (NH 4 ) 2SO 4. La presenza di elevate concentrazioni di metalli pesanti, in particolare Zn, Cd, (costituente dei prodotti dello zinco) Cu e Pb, nelle acque di scolo provenienti dalle superfici a tetto sono quindi imputabili al materiale di copertura, alle grondaie e ai telai delle finestre. Tali inquinanti, presenti in forma disciolta, se direttamente scaricati, possono avere effetti tossici sui corpi idrici naturali, inoltre costituiscono una potenziale fonte di contaminazione del terreno, attraverso locali infiltrazioni. Inquinanti quali COD, composti organici, metalli pesanti ed elementi nutritivi, possono legarsi attraverso processi di adsorbimento/assorbimento (Hogland et al., 1984) alle 15

22 particelle solide, che rappresentano così uno dei principali veicoli di trasporto degli inquinanti. In generale, i solidi sospesi sono quindi ritenuti un buon indicatore per la stima del carico inquinante. Fonte principale di tali solidi è rappresentato dall erosione del manto stradale, che genera circa il 40-59% dei solidi totali con caratteristiche granulometriche estremamente differenti, che si estendono da valori inferiori al μ m sino ad oltre 104 μ m e con valore di peso specifico variabili tra 1,8 e 5,0 g/cm 3 ; l abrasione dei pneumatici, invece, genera circa il 20-30% del materiale solido con particelle di diametro inferiore ai 20 μ m e peso specifico tra 1,5-1,8 g/cm 3. E stato evidenziato che le caratteristiche granulometriche e la massa del particolato rivestono un ruolo significativo nella distribuzione e nei processi di trasporto di inquinanti quali i metalli pesanti. Diverse ricerche (Thomson et al., 1997) infatti sono state svolte allo scopo di individuare quali tra solidi sospesi (TSS), solidi volatili (VSS) e solidi disciolti totali (TDS) risultassero gli indicatori maggiormente rappresentativi del carico inquinante. Alcuni ricercatori (Sansalone et al., 1995) hanno invece studiato la distribuzione della concentrazione dei metalli, rispetto alla dimensione delle particelle. In passato gli studi sperimentali condotti in tale direzione, indicavano come le più elevate concentrazione di metalli, in fase aggregata, fossero associabili alle particelle più fini. Relativamente alla concentrazione tali correlazioni risultano corrette, ma sono state causa di erronee interpretazioni, che hanno portato ad affermare che la maggioranza dei metalli pesanti, in termini di massa, è presente sulle particelle più fini, senza nessuna considerazione granulometrica. Includendo la valutazione di parametri quali la curva di distribuzione granulometrica, PSDs, la superficie, SA e la superficie specifica delle particelle, SSA, è stato recentemente dimostrato che la massa totale dei metalli pesanti è prevalentemente associata con particelle medio-grossolane di origine inorganica (valore del peso specifico intorno ai 2,65 g/cm 3 ) e che la sua distribuzione è fortemente correlata all area superficiale delle particelle. Per quanto riguarda la concentrazione di BOD 5 e COD, è stata verificata una stretta correlazione con i solidi totali in sospensione. 16

23 1.4 Il fenomeno del first flush ed il washoff Il fenomeno del first flush, inteso come la prima parte del volume delle acque di scolo contenente la maggior parte del carico inquinante che viene dilavato durante un evento di precipitazione, è stato ed è tutt oggi oggetto di studi. Molti autori hanno individuato l occorrenza del first flush, in corrispondenza del verificarsi di un picco di concentrazione nella fase iniziale di un evento meteorico. Il volume di acqua di prima pioggia considerato corrisponderebbe quindi al volume defluito, fino al momento in cui si verifica il picco di concentrazione. Per stabilire quali tra le caratteristiche idrologiche, climatiche, morfologiche del bacino e del sistema fognario, influenzino il processo sono state fornite diverse ipotesi. In Tabella 1.7 sono evidenziati i principali fattori ritenuti determinati per il verificarsi del fenomeno del first flush. Fattori idrologici Durata dell evento piovoso Altezza di pioggia Intensità di pioggia Forma dell idrogramma Volume di acqua di scorrimento superficiale Fattori climatici Periodo di tempo secco antecedente Intensità delle piogge antecedenti Periodo dell anno Temperatura Caratteristiche del bacino Area Pendenza Forma Utilizzo del suolo/tipo superficie Caratteristiche della rete fognaria Tipologia (mista/separata) Struttura (dimensioni, pendenza) Altri fattori Densità di traffico Qualità delle acque di pioggia Tabella 1.7 Fattori che influenzano il fenomeno del first flush (L.G. Lanza, 2003) I primi approcci scientifici, svolti a partire dalla metà degli anni '90, hanno dimostrato che in sistemi fognari unitari, l entità del carico inquinante (in particolare solidi sospesi) 17

24 nel first flush, è influenzato quasi equamente dal periodo antecedente di tempo asciutto, dal picco di intensità e dalla durata della precipitazione. Ulteriori sviluppi della ricerca hanno consentito di approfondire maggiormente il processo del washoff e da questi è emerso, come invece siano: il periodo antecedente di tempo secco e l intensità di pioggia ad influenzare in maniera significativa l occorrenza e l entità del first flush. Il primo influenza principalmente il processo di deposizione di tali inquinati sul manto stradale, sui tetti, e nella rete fognaria; il secondo invece caratterizza il processo di dilavamento. 1.5 Gli effetti della pulizia delle strade eseguita con mezzi meccanici Ogni qualvolta vengono effettuate operazioni di pulizia della sede stradale, una parte del materiale solido accumulatosi durante i giorni secchi precedenti viene rimosso. La pulizia può essere effettuata mediante lavaggio con autobotti oppure utilizzando macchine spazzatrici (figura 1.3), provviste di due spazzole che ruotano in direzione opposta e convogliano il materiale raccolto in direzione della bocca di aspirazione; degli ugelli, posizionati lateralmente alle spazzole, spruzzano acqua, permettendo così al materiale aspirato di amalgamarsi e alla polvere di non essere risoffiata all esterno. Figura Esempi di spazzatrici utilizzate per la pulizia della superficie stradale Vari studi hanno mostrato come le operazioni di pulizia presentino una buona efficienza nella rimozione del materiale di diametro superiore al millimetro, ma con maggiore difficoltà riescono a rimuovere il particolato di dimensioni minori: per materiale di 18

25 dimensioni inferiori a 43 µm solo il 15 % circa del materiale viene raccolto, mentre per quello con dimensione minore a 246 µm ne rimane a terra il 52%. Dimensioni delle particelle (µm) Efficacia di rimozione (%) > Tabella Tassi di rimozione caratteristici delle operazioni di pulizia [Sartor, Boyd, 1972; Pitt, 1979 e 1985] Il problema si aggrava se si considera che, come già sottolineato in precedenza, la parte maggiore del potenziale inquinante è associata alla frazione più fine dei sedimenti solidi accumulati sulla superficie stradale. Queste particelle sono anche le più pericolose perché possono contaminare molto più facilmente le acque di drenaggio in quanto, per la loro stessa natura, si aggregano fra loro per poi cementarsi. Si riportano in tabella le efficienze di rimozione di diversi mezzi di pulizia, in funzione del tipo di inquinante asportato [Clark e Cobbins, 1963; Sartor et al., 1972; Pitt, 1979]. Programmi di pulizia al variare delle condizioni di accumulo Solidi BOD 5 COD Pesticidi Pb PO 4 Spazzatrice ad aspirazione - solidi totali: 5-50 g/m 1 passaggio passaggi passaggi Spazzatrice ad aspirazione - solidi totali: g/m 1 passaggio passaggi passaggi Spazzatrice ad aspirazione - solidi totali: g/m 1 passaggio passaggi passaggi Programmi di pulizia al variare delle condizioni di accumulo Solidi BOD 5 COD Pesticidi Pb PO 4 Autobotte per innaffiamento 30 * * * * * Spazzatrici dopo un passaggio con autobotte 80 ** ** ** ** ** * stimato %; ** stimato % Tabella Efficienza dei mezzi meccanici di pulizia [Clark e Cobbins, 1963; Sartor et al., 1972; Pitt, 1979] 19

26 Nonostante la scarsa efficienza dei mezzi di pulizia, comunque, un adeguato programma di pulizia in tempo secco è in grado di eliminare notevoli quantità di inquinanti che entrerebbero nella rete fognaria in tempo di pioggia, ingrossando la portata nera iniziale con apporti di acqua che non ha più proprietà diluenti. È bene quindi programmare le operazioni di pulizia che devono essere effettuate con mezzi adeguati. 20

27 21

28 Capitolo 2. Il controllo delle acque meteoriche di dilavamento Un sistema di drenaggio urbano è costituito dalle opere di drenaggio superficiale (caditoie e cunette, allacciamenti privati), dalle canalizzazioni destinate al coinvolgimento delle acque meteoriche di dilavamento e delle acque reflue di origine civile e produttiva, dagli eventuali manufatti di controllo idraulico e ambientale (scaricatori di piena, vasche di prima pioggia e vasche volano), dalle eventuali stazioni di sollevamento, dai manufatti di scarico e dall impianto di trattamento. Tutto il sistema deve essere concepito in modo unitario e coerente per evitare le disfunzioni che emergono quando rete di drenaggio e impianto di trattamento sono progettati indipendentemente l uno dall altro. Il sistema di drenaggio nel suo complesso deve essere efficiente e compatibile con l ambiente circostante, cioè: la frequenza delle insufficienze della rete deve essere economicamente compatibile con i danni da esse arrecati agli insediamenti residenziali e produttivi serviti; le massime portate recapitate ai corpi idrici riceventi non devono eccedere la loro capacità idraulica di trasporto; i carichi inquinanti effluenti dagli scarichi delle acque meteoriche e dagli impianti di trattamento devono globalmente essere compatibili con i ricettori; non devono produrre effetti di tossicità né acuti ne di lungo periodo per accumulo. Il dibattito sulle fognature unitarie e separate è ancora attuale, poiché lo sviluppo delle conoscenze conduce a continui aggiornamenti sulla presenza significativa di sostanze inquinanti, non solo nelle acque reflue ma anche nelle acque meteoriche e nelle altre acque superficiali e sotterranee. L approccio classico che prevedeva il sistema separato come risposta migliore all efficienza depurativa, è stato oggi rivisto alla luce delle nuove conoscenze sull inquinamento delle acque meteoriche urbane. 22

29 Una buona risposta alle esigenze prima elencate, può ottenersi con entrambe le tipologie unitarie o separate di sistemi fognari, purché entrambe siano dotate delle moderne tecnologie di invaso e scarico; la scelta motivata dell uno e dell altro sistema, deve allora derivare caso per caso dalle analisi delle condizioni ingegneristiche, ambientali ed economiche legate alla specifica situazione. 2.1 Il sistema di drenaggio unitario o a rete separata Un sistema di drenaggio può essere, come detto, a rete separata o a rete unitaria (mista); nel primo caso la fognatura consta di due canalizzazioni distinte, una per le acque reflue derivanti dagli scarichi civili ed industriali (acque nere) le quali vengono convogliate al depuratore ed una per le acque meteoriche (acque bianche), le quali vengono normalmente scaricate nei corpi idrici ricettori senza essere trattate. I sistemi di tipo unitario o misto, invece, adottano una unica canalizzazione per entrambe le acque: in tempo secco sono presenti solamente le nere, mentre negli eventi di pioggia ad esse si aggiungono le bianche, cosicché al depuratore arriva la cosiddetta portata nera diluita, mentre l eccesso di portata durante le piogge di particolare intensità viene scaricata direttamente nel ricettore tramite appositi manufatti. Per ragioni storiche, in Italia come nel resto del mondo, le fognature del tipo misto sono assai più numerose. In passato infatti il problema ambientale era poco avvertito, essendo i corsi d acqua non ancora caratterizzati dal forte degrado qualitativo che oggi tutti noi conosciamo, perciò il controllo dell impatto degli scarichi sull ambiente era affidato alla sola diluizione dei carichi inquinanti nei corpi idrici ricettori, per altro quasi sempre garantita in corrispondenza dei recapiti e degli organi di sfioro. L inquinamento crescente ha però mutato radicalmente i termini della questione: i corsi d acqua mostravano capacità auto depurative insufficienti, non potendo più ricevere scarichi che non fossero stati trattati o che non fossero già fortemente diluiti. Si giunse al punto in cui sembrava razionale l idea della separazione delle reti, poiché si riteneva che le acque di provenienza meteorica fossero pulite e quindi in grado di essere inviate direttamente al ricettore senza trattamento, perchè non corrotte dalla miscelazione con le nere. L invio al depuratore delle sole acque nere avrebbe avuto 23

30 un doppio beneficio: limitare le dimensioni dell impianto e migliorarne l efficienza; sia perchè le portate nere ed i carichi inquinanti ad esse associati, sono più regolari nel tempo, sia perchè una loro eccessiva diluizione, quale quella operata dalle portate di pioggia negli eventi di piena, rende invece più difficoltoso il trattamento. Contemporaneamente lo sviluppo urbano determinava anche un problema idraulico, imputabile al sottodimensionamento delle reti esistenti nei confronti delle nuove e consistenti aliquote di portata generate dall insediamento di nuove aree. Come evidenziato però nel capitolo precedente, alle acque meteoriche risultano associati carichi inquinanti non trascurabili, diviene così meno logica la scelta fatta a priori di separare le acque. Nei sistemi separati i collettori delle acque piovane sono per dimensione, quasi identici a quelli della rete unitaria, ma essendo percorsi solo saltuariamente da acqua, per di più meno aggressiva, possono essere costruiti in materiali meno pregiati. I collettori della rete nera, invece, hanno problemi di pulizia dovuti alla mancanza di lavaggio da parte dell acqua piovana, essendo per altro scarsi i casi in cui i dispositivi di cacciata sono in funzione; le scarse pendenze aggravano il problema. Nelle realizzazioni consuete la rete bianca scarica direttamente nei ricettori, senza separare le portate di prima pioggia, con evidente danno ambientale. L utilizzo di reti separate è consigliabile nelle zone industriali, perchè le acque reflue in tempo secco caratterizzate in maniera decisa dalle acque dei processi produttivi, le quali ancorché pretrattate, rischierebbero di degradare ulteriormente le acque meteoriche con sostanze nocive e tossiche che inevitabilmente raggiungerebbero i ricettori. I collettori delle reti unitarie vengono dimensionati in base alle portate di pioggia, assai superiori a quelle reflue in occasione degli eventi di progetto. Avendo le precipitazioni durata contenuta, per la maggior parte del tempo la fognatura è percorsa dalle sole acque nere, con portate esigue e basse velocità, col rischio che i solidi sedimentino e, incrostando il fondo del tubo, diminuiscano la sezione utile, nonché il rischio di insorgenza di fenomeni anaerobici putrefattivi (maleodore). E vero altresì che il lavaggio dei condotti ad opera delle piogge è abbastanza frequente, cosicché una fognatura mista dotata di normali pendenze si mantiene abbastanza pulita. Particolarmente importante è la questione del dimensionamento delle opere di sfioro della portata di supero negli eventi di piena, in quanto bisogna conciliare due esigenze 24

31 contrapposte: una del depuratore, che può accettare portate in ingresso di poco superiori alla portata nera media di tempo secco, l altra legata alla portata sfiorata che deve essere abbastanza diluita per non caricare troppo il ricettore di inquinanti. La pratica progettuale e le normative di settore suggeriscono portate nere diluite commisurate a 2,5 5 volte le portate nere medie; le portate di prima pioggia sono pertanto 1,5 4 volte le portate nere medie con un discreto beneficio ambientale, che può essere incrementato con l adozione di invasi aggiuntivi (vasche di prima pioggia) o l utilizzazione spinta dell invaso interno delle canalizzazioni per trattenere temporaneamente poi rilasciare e inviare alla depurazione l aliquota più inquinata delle acque meteoriche. 2.2 I sistemi di controllo degli scarichi Durante le precipitazioni si formano in ambito urbano portate meteoriche che solo in parte possono essere regolarmente accolte, convogliate, depurate e scaricate dalla rete fognaria. Il limite di carattere idraulico consiste nell incapacità dei collettori a sostenere le portate degli eventi più rari ed intensi, nonostante siano dimensionati sulla base di eventi comunque rilevanti. Le portate esuberanti rispetto alle capacità della rete devono dunque essere sfiorate attraverso opportuni manufatti. Esiste un altro limite legato alle caratteristiche dei processi biochimici dei normali impianti depurativi civili, che hanno un buon rendimento se lavorano con portate non troppo più grandi della portata nera media di tempo secco. L esigenza di mandare alla depurazione portate basse si scontra, come si diceva, con l esigenza opposta di limitare al massimo gli sversamenti al ricettore. Sussiste dunque, questo fondamentale problema del controllo delle portate meteoriche, allo scopo di innalzare il livello della protezione ambientale ed idraulica del territorio urbano ed extra urbano. Tale obiettivo può essere perseguito efficacemente con lo sfruttamento degli invasi propri della rete fognaria (invasi in linea) o situati all esterno di essa (invasi fuori linea) Essi possono assolvere sia alla funzione ambientale, poiché possono trattenere ed escludere dallo scarico una notevole percentuale degli inquinanti veicolati dalle acque meteoriche, soprattutto quelle relative all inizio dell evento (le prime piogge), 25

32 consentendone il successivo invio al trattamento depurativo, sia alla funzione idraulica, perchè possono laminare le portate di massima piena, riducendo il pericolo di incontrollati allagamenti superficiali. In ultima analisi risulta evidente come per esercitare un controllo ambientale ed idraulico dei deflussi in fogna sono necessari uno o più dei seguenti manufatti: scaricatori o ripartitori vasche di prima pioggia vasche volano o di laminazione Il controllo ambientale degli scarichi Assodato che l inquinamento dilavato dalle acque meteoriche sulle superfici urbane può essere assai rilevante, ormai da molti anni numerose normative italiane ed estere richiedono di dotare le aree urbanizzate e i corrispondenti sistemi fognari di strutture idonee a ridurre efficacemente l impatto sul ricettore, derivante da tale componente dei deflussi urbani. In generale, il controllo degli scarichi di origine meteorica finalizzato alla riduzione dell impatto inquinante sui corpi idrici ricettori, può essere attuato mediante interventi strutturali o non strutturali. Gli interventi non strutturali consistono nell attuazione di protocolli di manutenzione delle pavimentazioni stradali urbane, atti ad asportare frequentemente con appositi automezzi le polveri e i depositi organici ed inorganici. La frequenza e la tipologia dei mezzi di lavoro influenzano decisamente il risultato conseguito, che può consentire un rilevante abbattimento delle sostanze inquinanti. Tra i provvedimenti non strutturali possono anche includersi quelli riguardanti le caditoie stradali, ove queste siano atte a intrappolare i solidi in ingresso, in attesa dell arrivo degli automezzi deputati al loro svuotamento periodico. Gli interventi strutturali sono principalmente attuati nelle reti fognarie urbane mediante scaricatori di piena e vasche di prima pioggia, secondo diversi schemi impiantistici che prevedono: l impiego di soli scaricatori di piena; l impiego congiunto di scaricatori di piena e vasche di prima pioggia in linea; 26

33 l impiego congiunto di scaricatori di piena e di vasche di prima pioggia fuori linea. Nelle reti pluviali destinate al drenaggio di pavimentazioni esterne ai centri urbani (aree di servizio e di parcheggio, autostrade ed arterie a grande viabilità) gli interventi strutturali prevedono spesso l adozione, in corrispondenza dei punti di scarico opportunamente centralizzati, di impianti di trattamento appropriato realizzato normalmente con grigliatura, sedimentazione e separazione di oli e grassi. Sono in atto esperienze interessanti anche con trattamenti diffusi di tipo chimico-fisico in corrispondenza dei terminali di brevi e frequenti reti di drenaggio stradale. R eti con scaricatori di piena In merito ai sistemi di drenaggio urbano, gli schemi indicati di seguito in Figura 2.1, si riferiscono ai casi in cui il controllo dello scarico nel ricettore avviene semplicemente mediante un manufatto (scaricatore di piena) che consente lo scarico nel ricettore solo quando la portata supera un valore di soglia prefissato. Figura 2.1 Schemi di reti unitarie e separate con manufatto ripartitore 27