IL SOLLEVAMENTO NELLE RETI FOGNARIE

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1 Giornata di studio su progetto e gestione delle stazioni di pompaggio IL SOLLEVAMENTO NELLE RETI FOGNARIE Matteo Balistrocchi Brescia 22 novembre 2013

2 GENERALITÀ 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 velocità di scorrimento insufficienti dovute a ridotte pendenze dei collettori falda freatica superficiale (modificato da Da Deppo & Datei, 2009)

3 GENERALITÀ 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. 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 GENERALITÀ 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 ) 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 PORTATE DI PROGETTO 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. 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 PORTATE DI PROGETTO ACQUE NERE I fattori che influenzano il fabbisogno sono peraltro innumerevoli: Tipologia di utilizzo (agricolo, industriale, domestico) 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 Naturalmente queste leggi di crescita sono difficilmente delineabili, tanto che spesso la stima della dotazione idrica effettuata sulla base dei consumi richiede un analisi interpretativa piuttosto approfondita e non banale, come evidenziato dai dati in tabella. Si può osservare che, sorprendentemente, il dato attualmente stimato per Roma è la metà di quello stimato per il periodo imperiale (Rosso e Sanfilippo, 2012). Dotazioni idriche e popolazione in alcune megalopoli (Rosso e Sanfilippo, 2012). Città DI [l/(ab d)] P [10 6 ab] Delhi 80 16,7 San Paolo ,9 Londra ,7 Beijing ,6 Singapore 350 5,2 Tokyo ,8 New York ,5 Milano - Roma 530 4,4 3,7

9 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 a detto coefficiente di afflusso in fognatura. DI P Q ma = α α = 0,80 Dotazione idrica definite in Lomabrdia 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)

10 PORTATE DI PROGETTO ACQUE NERE 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. Q p = C p C 24 Q ma C 24 (PRRA Lombardia, 2002) Classe demografica C 24 < , : , : ,30 > ,25 C p (PRRA Lombardia, 2002) Classe demografica C 24 < , : , : ,35 > ,30

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. Q c = A F a t c (n 1) Q c : portata critica A: area contribuente (ha), F: coefficiente medio d afflusso (/), 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 PORTATE DI PROGETTO ACQUE METEORICHE Nella valutazione dell area contribuente non bisognerebbe dimenticare la componente extraurbana. Tuttavia sarebbe opportuno operare la disconnessione tra la rete fognaria ed il reticolo minore. Rovato 06/07/2010 FONTE: Bresciaoggi Torrente Vallona Provaglio d Iseo

13 PORTATE DI PROGETTO 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. T [anni] F perm F imp F = F 1 I perm I F imp < > CSDU, 1999 (ASCE, 1998)

14 PORTATE DI PROGETTO 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. h = a d n Dati ITAS Pastori (45 anni) (Ranzi et al., 1999) Durate - Brevi Lunghe Tempo di Ritorno [anni] a n a n a n

15 PORTATE DI PROGETTO 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. Formula Moisello Papiri (Moisello Papiri,1999) h = a d n i = a d n 1

16 PORTATE DI PROGETTO 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. 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: t r = i L i 1.5 v ri L i = lunghezza dei canali v ri = velocità di riempimento del canale i-esimo

17 PORTATE DI PROGETTO ACQUE PARASSITE 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) E = P t 365 = γ Q H p t

18 CALCOLO DELLA PREVALENZA La curva d impianto esprime la sommatoria delle perdite concentrate e distribuite e del dislivello geodetico che la pompa deve vincere per sollevare la portata. H P = H geod J L 2 v ; 2g = k i i H P = H geod 2 L A 2 R 2gA 2 Q 2 Dislivello geodetico avverso (Sanfilippo e Bianchi, 2001) Perdite distribuite J = D J = v 2 2 g 10.3 Q2 k s 2 D 16/3 J = K Qα D β Perdite concentrate Tipo di perdita Valvola di non ritorno Valvola a farfalla aperta Valvola a saracinesca aperta 0.15 Curve a spigolo vivo

19 VOLUMI DELLA VASCA 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. 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

20 STIMA DEL VOLUME UTILE Al fine di garantire il mantenimento dell efficienza degli organi elettromeccanici è necessario limitare il numero di avviamenti orari Z. 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)

21 STIMA DEL VOLUME UTILE 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) Q u = Q m Q max + Q min 2 = cost Q u = 0 Portata entrante assunta costante (portata di progetto fognatura Q p dipendente dal tipo di fognatura) (m 3 /s) Q e = cost Equazione di continuità relativa al volume d invaso V (m 3 ) dv dt = Q e Q u

22 STIMA DEL VOLUME UTILE Fase di avvio della pompa V f V i = Q e Q u T 1 ; 0 V = Q p Q m T 1 ; T 1 tempo di svuotamento del volume d invaso V (NB Q m >Q p ) (s) T 1 = V Q m Q p Fase di arresto della pompa V f V i = Q e Q u T 2 ; V 0 = Q p T 2 ; T 2 tempo di riempimento del volume d invaso V (s) T 2 = V Q p Durata complessiva di un ciclo T (s) Frequenza oraria Z (h -1 ) T = T 1 + T 2 = V Q m Q p + V Q p = VQ m Q m Q p Q p Z = 3600 T

23 STIMA DEL VOLUME UTILE Variazione di T e Z in funzione del rapporto Q p /Q m per fissati valori di V/Q m (Sanfilippo & Bianchi, 2001)

24 STIMA DEL VOLUME UTILE Si osserva coma Z sia massimo quando Q p Q m = 0.5 Al fine di massimizzare in numero di attacchi/stacchi orari (e quindi di minimizzare il volume utile d invaso) si impone: Q m = 2Q p Sostituendo questa condizione si ricava dopo alcuni passaggi algebrici che: con V (m 3 ), Z (h -1 ) e Q m (m 3 /s) V = 900 Q m Z

25 DEFINIZIONE GEOMETRIA VASCA (modificato da CSDU, 1997)

26 BIBLIOGRAFIA 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, 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.