Dimensionamento di stazioni di sollevamento in fognatura

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1 Corso di Formazione Pompaggio nei sistemi di fognatura Dimensionamento di stazioni di sollevamento in fognatura Ing. Matteo BALISTROCCHI 5 novembre 2015

2 Il collettamento delle acque reflue mediante una rete interamente a gravità può dimostrarsi tecnicamente poco efficace se non impossibile a causa di: quote delle reti inferiori a quelle del corpo ricettore necessità di effettuare scavi di profondità eccessiva falda freatica superficiale invaso in vasche di laminazione o prima pioggia GENERALITÀ (modificato da Da Deppo & Datei, 2009)

3 Tali problematiche sono diventate via via più rilevanti nel corso degli ultimi decenni in considerazione delle crescenti necessità di tutela ambientale, ovvero, di controllo e riduzione degli scarichi. GENERALITÀ Le reti fognarie concepite come insieme di piccole reti disgiunte che scaricavano nel corpo idrico ricettore più vicino, sono state interconnesse in modo da intercettare gli scarichi ed avviarli ad idonei impianti di depurazione. Ciò ha reso necessario realizzare collettori di grandi dimensioni ai quali è demandato il compito di conferire i liquami anche a significative distanze. Rete a pettine Circumlacuale (modificato da CSDU, 1997)

4 La progettazione di una stazione di sollevamento rende necessaria l adozione di varie scelte progettuali: Stima delle portate di progetto (entrante Q e, uscente Q u ) GENERALITÀ Calcolo della prevalenza richiesta H p Scelta del numero e della tipologia delle pompe Stima del volume da attribuire alla vasca di accumulo V Definizione della geometria della vasca Q u V Q e (modificato da Da Deppo e Datei, 2009)

5 PORTATE DI PROGETTO Le portate in ingresso alla stazione di sollevamento sono legate alla tipologia della rete fognaria a monte: Fognatura separata - Acque nere - Acque meteoriche Fognatura unitaria - Acque nere ed acque meteoriche (miste) Fognatura separata con vasche di prima pioggia - Acque nere ed acque di prima pioggia - Acque meteoriche di seconda pioggia Nel calcolo del volume del pozzetto e nella scelta delle pompe si ipotizza, per semplicità, che la portata entrante sia costante e pari al massimo atteso: portata di punta del giorno di massimo consumo (acque nere), portata critica per fissato tempo di ritorno (acque meteoriche). Di difficile valutazione, ma talvolta non trascurabile, può essere il contributo di acque parassite, dovute a: Infiltrazione dalla falda freatica Allacci erronei o abusivi di canali pluviali alla fognatura nera

6 ACQUE NERE La portata media annua associata alle acque nere può essere stimata in ragione dei fabbisogni idrici o, se disponibili, dei dati di consumo idrico. PORTATE DI PROGETTO È bene ricordare che i consumi idrici, infatti, sono in generale diversi dai fabbisogni. Si definisce fabbisogno idrico la stima della quantità di acqua necessaria a soddisfare la richiesta idrica degli utenti del servizio di acquedotto. Il consumo idrico è la misura della quantità di acqua effettivamente erogata. Oltre ad essere concettualmente diversi, bisogna tenere in considerazione che il consumo risente anche delle perdite (reali od apparenti) della rete di distribuzione e degli errori di misurazione ai contatori. In generale si è osservato che in condizioni di scarsezza di risorsa idrica: Consumo < Fabbisogno Viceversa, in condizione di grande abbondanza si verifica: Consumo >> Fabbisogno

7 ACQUE NERE I fattori che influenzano il fabbisogno sono peraltro innumerevoli: Tipologia di utilizzo (agricolo, industriale, domestico) PORTATE DI PROGETTO Clima Costo della risorsa (ovvero politica tariffaria) Condizioni economiche dell utente Usi e consuetudini La stima del fabbisogno idrico è pertanto estremamente difficile, data la considerevole variabilità della combinazione di tutti questi fattori. Nella valutazione dei fabbisogni delle utenze domestiche molto spesso si ammette che la dotazione idrica sia principalmente legata alla dimensione demografica del centro abitato. Questo è ragionevole se si pensa che tutti i fattori precedentemente elencati dipendono bene o male dalla grandezza del centro abitato. All aumentare della popolazione aumentano infatti la quantità dei servizi erogati, il tenore di vita degli utenti ed insorgono nuove tipologie di utenze.

8 PORTATE DI PROGETTO ACQUE NERE Volendo ragionare in termini di fabbisogni idrici si può stimare la portata media annua come prodotto della dotazione idrica procapite DI per la popolazione allaccia futura P, applicando un coefficiente riduttivo α detto coefficiente di afflusso in fognatura ,80 Dotazione idrica definite in Lombardia in un ottica di risparmio (PRRA Lomb., 2002). Fabbisogni potabili e sanitari: sono calcolati considerando, per ogni singolo comune a. popolazione residente: - fabbisogno base: 200 l/(ab d) - incremento del fabbisogno base per l incidenza dei consumi urbani e collettivi: Classe demografica Incremento DI [l/(ab d)] < : : : > b. popolazione stabile non residente (ospiti di ospedali, caserme, collegi): 200 l/(ab d) c. popolazione fluttuante con pernottamento (alberghi, camping...): 200 (l/ab d) d. popolazione senza pernottamento, compresi gli addetti: 80 l/(ab d) e. addetti dei futuri insediamenti ad uso lavorativo: 20 mc/(ha d)

9 ACQUE NERE PORTATE DI PROGETTO Il calcolo della portata nera di punta si effettua sulla base delle portata nera media annua moltiplicando per due coefficienti: cofficiente del giorno di massimo consumo C 24 e del coefficiente di punta C p. Entrambi normati dal PRRA Lombardia. C 24 (PRRA Lombardia, 2002) Classedemografica C 24 < , : , : ,30 > ,25 C p (PRRA Lombardia, 2002) Classedemografica C 24 < , : , : ,35 > ,30

10 ACQUE NERE Principali dati sugli usi civili in Emilia Romagna (volumi in Mm 3 ). La previsione sulla crescita della idrica indica un valore medio nella regione pari a 257 l/(ab d) per l anno PORTATE DI PROGETTO (PTUA, Emilia Romagna 2006)

11 PORTATE DI PROGETTO ACQUE METEORICHE La portata critica per assegnato tempo di ritorno può essere stimata mediante innumerevoli procedure. Una delle più comuni nella pratica idrologica italiana è la formula razionale, legata ad una concettualizzazione cinematica dei processi di trasformazione afflussi netti-deflussi superficiali, ed all ipotesi che l evento critico sia ad intensità costante e le perdite idrologiche siano percentuali. = Α Φ r a Q c : portata critica (m 3 /s) A: area contribuente (ha), Φ: coefficiente medio d afflusso (/), r : coefficiente di ragguaglio (/); a (mm/h n ), n (/) parametri LSPP (funzione del tempo di ritorno) t c: il tempo di corrivazione (h). Il tempo di ritorno T nell ambito della progettazione fognaria urbana può essere assunto: 5 10 anni

12 ACQUE METEORICHE Nella valutazione dell area contribuente A non bisognerebbe dimenticare la componente extraurbana. Tuttavia sarebbe opportuno operare la disconnessione tra la rete fognaria ed il reticolo minore. PORTATE DI PROGETTO Rovato 06/07/2010 FONTE: Bresciaoggi Torrente Vallona Provaglio d Iseo

13 ACQUE METEORICHE Il coefficiente di afflusso è per sua natura una variabile aleatoria. È pertanto opportuno quantomeno tenere in considerazione la crescita all aumentare della severità dell evento meteorico. PORTATE DI PROGETTO Φ = Φ 1 perm ( I) + Φ I imp T [anni] Φ perm Φ imp < > CSDU, 1999 (ASCE, 1998)

14 ACQUE METEORICHE I coefficienti delle linee segnalatrici a ed n sono in generale funzione del tempo di ritorno, anche se molto spesso la dipendenza di n può essere trascurata. PORTATE DI PROGETTO Dati ITAS Pastori (45 anni) (Ranzi et al., 1999) Durate - Brevi Lunghe Tempo di Ritorno [anni] a n a n a n

15 ACQUE METEORICHE La linea segnalatrice puntuale dovrebbe essere ragguagliata per tenere in considerazione la variabilità spaziale della precipitazione e stimare in modo più corretto l afflusso al bacino. PORTATE DI PROGETTO Formula Moisello Papiri (Moisello Papiri,1999)

16 ACQUE METEORICHE Il tempo di corrivazione del bacino individua la durata critica, ovvero la durata della precipitazione (lorda) che massimizza la portata al colmo dell evento di piena per il fissato tempo di ritorno. PORTATE DI PROGETTO Dei diversi tempi di corrivazione che caratterizzano i vari punti del bacino è necessario prendere il massimo. Nell ambito della progettazione fognaria si usa stimarlo come somma di due contributi: Il tempo di ingresso in rete t i : tempo necessario alla precipitazione per raggiungere il collettore scorrendo sulle superfici ed attraverso le caditoie ed pluviali; ordine di grandezza t i = 5-10 min. Il tempo di rete t r : tempo necessario alla portata pluviale per percorrere i canali sino alla sezione di calcolo:! " # $ 1.5 (!$ $ L i = lunghezza dei canali v ri = velocità di riempimento del canale i-esimo

17 ACQUE PARASSITE PORTATE DI PROGETTO La componente delle acque parassite richiede necessariamente indagini in sito ed è attualmente argomento di ricerca. In generale non è possibile stabilire l effetto dell urbanizzazione sull evoluzione della superficie freatica, dato che questa può crescere/decrescere in relazione alle condizioni locali (Fletcher et al. 2013). Quello che si è osservato in molte località della Pianura Padana in questi anni è un innnalzamento conneso alla cessazione delle produzioni industriali. Romano di Lombardia (BG) Fascia delle risorgive dell alta pianura Portate istantanee superiori di volte rispetto a quelle teoriche Portate medie giornaliere superiori sino ad 8-10 volte rispetto a quelle teoriche (Cesenni, 2011) ) 365, η

18 Volumi da definire: Volume morto: al di sotto del livello di arresto delle pompe; Volume utile: compreso tra il livello di attacco e quello di arresto; Volume di riserva: tra il livello di attacco e quello massimo. VOLUMI DELLA VASCA Il livello massimo ammissibile non deve creare rigurgiti in fognatura tali da comprometterne la funzionalità. Il rapporto di riempimento per il quale la fongatura è progettata deve essere rispettato < h/d < 0.70

19 STIMA DEL VOLUME UTILE All avviamento il motore elettrico delle pompe può essere caratterizzato da un assorbimento elevato. Per assicurarne le durata, essendo il servizio intermittente, è necessario limitare il numero di avviamenti orari Z. Un adeguato intervallo di tempo tra due avviamenti successivi, consente di dissipare il calore prodotto dalla corrente allo spunto. Potenza del motore Installazione a secco Installazione sommergibile < 7.5 kw < 30 kw > 30 kw Numero massimo ammissibile di avviamenti orari Z (h -1 ) a) b) Intallazione sommergibile a) a secco b) (modificato da CSDU, 1997)

20 Portata uscente Q u in fase di funzionamento assunta costante e pari alla portata media Q m tra quella all avvio Q i e quella all arresto Q f, nulla in condizioni di arresto (m 3 /s) STIMA DEL VOLUME UTILE Avvio Arresto Fase di avvio della pompa. 0 1 $ Portata entrante assunta costante (portata di progetto fognatura Q p dipendente dal tipo di fognatura) (m 3 /s) Fase di arresto della pompa Equazione di continuità relativa al volume d invaso V (m 3 )

21 Fase di avvio della pompa STIMA DEL VOLUME UTILE $ 7 8. : ; : ; $ 7 8. : ; : ; : ; T v tempo di vuotamento del volume d invasov (NB Q m >Q p ) (s) 6 8 Fase di arresto della pompa T r tempo di riempimento del volume d invaso V (s) :! 6 Durata complessiva di un ciclo T (s) Frequenza oraria Z (h -1 ) : : ; 1 : ; < = > =? 1 < =? = <= > = > =? =? Z 3600 :

22 Variazione di T e Z in funzione del rapporto Q p /Q m per fissati valori di V/Q m STIMA DEL VOLUME UTILE : < A A = > α (modificato da Sanfilippo & Bianchi, 2001)

23 Si osserva coma Z sia massimo quando STIMA DEL VOLUME UTILE 0.5 Al fine di massimizzare in numero di attacchi/stacchi orari (e quindi di minimizzare il volume utile d invaso) si impone: 2 Sostituendo questa condizione si ricava dopo alcuni passaggi algebrici che: C con V (m 3 ), Z (h -1 ) e Q m (m 3 /s)

24 STIMA DEL VOLUME UTILE POMPE IN PARALLELO Sequenza 1 Le pompe avviano quando il livello nella vasca supera quello di arresto di quella che opera al livello superiore; Le pompe staccano quando il livello nella vasca scende al di sotto del livello di avviamento della pompa a cui compete la porzione di volume utile inferiore. Vantaggio: consente di ottenere un andamento della portata sollevata il più prossimo possibile a quello della portata in ingresso. Svantaggio: richiede volumi utili complessivamente maggiori. (modificato Da Deppo & Datei, 2009)

25 Sequenza 1 Nel caso in cui vi sia una sola pompa: Q p = α 1 Q m1 con 0 < α 1 < 1 e Q p < Q m1 STIMA DEL VOLUME UTILE POMPE IN PARALLELO : ; 6 8 :! 6 : Nel caso in cui vi siano due pompe: Q p = Q m1 +α 2 Q m2 con 0 < α 2 < 1 e Q m1 < Q p < Q m1 + Q m2 : ; :! 6 8 : Minimizzando T 1 e T 2 si ottiene: α 1 = α 2 = 0.5 Generalizzando il volume associato alla pompa k-esima di portata Q k e tempo di ciclo T k si ottiene: 6 D : D E 4 Il volume utile V è quindi dato dalla somma di tutti i contributi: 6 " : D E 4 D

26 STIMA DEL VOLUME UTILE POMPE IN PARALLELO Sequenza 2 I livelli di avviamento sono progressivamente crescenti; Esiste un unico livello di arresto in corrispondenza del livello minimo che delimita il volume morto; Le pompe staccano tutte contemporaneamente quando il livello nella vasca raggiunge il livello di arresto. Vantaggio: richiede volumi utili complessivamente minori. Svantaggio: l andamento della portata sollevata risulta più discontinuo rispetto a quello della portata in ingresso. (modificato Da Deppo & Datei, 2009)

27 Sequenza 2 Nel caso in cui vi sia una sola pompa: Q p < Q m1 : 6 4 STIMA DEL VOLUME UTILE POMPE IN PARALLELO Nel caso in cui vi siano due pompe: Q p < Q m1 + Q m2 e Q p = Q m1 + α 2 Q m2 : :! 1 :! 1 : ;F; (Sanfilippo & Bianchi, 2001)

28 Il confronto tra i volumi richiesti dalla sequenza 1 e dalla sequenza 2 evidenzia come quest ultima porti a volumi significativamente minori (caso pompe tutte uguali Q k = Q 1 e T k = T 1 STIMA DEL VOLUME UTILE POMPE IN PARALLELO L adozione della sequenza 2 all aumentare del numero di pompe, ma mantenendo la portata complessivamente sollevata costante (frazionamento della portata sollevata), riduce il volume utile richiesto. Vantaggio ulteriore si ha per la pompa (le pompe) di riserva. (Da Deppo & Datei, 2009)

29 Schema d impianto con condotta di alimentazione frontale con salto. DEFINIZIONE GEOMETRIA VASCA (modificato Da Deppo & Datei, 2009) (modificato da CSDU, 1997)

30 Schema d impianto con condotta di alimentazione laterale sopraelevata. DEFINIZIONE GEOMETRIA VASCA Schema d impianto con condotta di alimentazione laterale sul fondo. Schema d impianto con condotta di alimentazione frontale sul fondo. (modificati Da Deppo & Datei, 2009)

31 Cesenni A, Acque parassite nelle reti di drenaggio urbano controllo e gestione: il caso di Romano di Lombardia, Tesi di Laurea, Università di Brescia, Da Deppo L., Datei C., Fognature, Editrice Cortina, Padova, BIBLIOGRAFIA Fletcher TD, Andrieu H, Hamel P, Understanding, management and modelling of urban hydrology and its consequences for receiving waters: A state of the art, Advances in Water Resouces, 51, , CDSU Sistemi di Fognatura. Manuale di Progettazione, S. Artina, G. Calenda, F. Calomino, G. La Loggia, C. Modica, A. Paoletti, S. Papiri, G. Rasulo, P. Veltri (a cura di), HOEPLI, Milano, Sanfilippo U., Bianchi A., Pompe e impianti di sollevamento, Hoepli, Milano, Ranzi R, Mariani M, Rossini E, Bacchi B. Analisi e sintesi delle piogge intense del territorio bresciano. Brescia (IT): DICATAM, University of Brescia; 1999; Technical Report n 12. Rosso R., Sanfilippo U., Giornale dell Ingegnere, 2012.