QUALITA DELLE ACQUE DEFLUENTI IN UNA RETE FOGNARIA MISTA DURANTE EVENTI METEORICI E CONTROLLO DEGLI SCARICHI NEI CORPI IDRICI RICETTORI

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1 Acque di Prima Pioggia: Esperienze sul territorio e normativa QUALITA DELLE ACQUE DEFLUENTI IN UNA RETE FOGNARIA MISTA DURANTE EVENTI METEORICI E CONTROLLO DEGLI SCARICHI NEI CORPI IDRICI RICETTORI S. Papiri, O.J. Barco Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale, Università degli Studi di Pavia Via Ferrata, 1, 271 Pavia, Italy, Tel (+39) , Fax (+39) Sommario La presente memoria riporta le risultanze di vari studi sulla qualità delle acque meteoriche di dilavamento e sul controllo degli scarichi nei corpi idrici ricettori, effettuati a partire dalla fine degli anni 9, da alcuni ricercatori del Laboratorio di Idrologia Urbana del Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale dell Università degli Studi di Pavia. Dopo una sintetica descrizione del bacino urbano sperimentale di Cascina Scala (Pavia) oggetto delle indagini, vengono riportati alcuni dei dati sperimentali acquisiti relativi alla qualità delle acque defluenti nel sistema fognario misto durante eventi meteorici. Vengono quindi illustrate le risultanze di due distinte simulazioni continue quali-quantitative della trasformazione degli afflussi meteorici osservati per un anno in deflussi nella rete mista di drenaggio del bacino urbano di Cascina Scala. L obiettivo delle simulazioni è la valutazione dell efficacia dell impiego nelle reti di drenaggio del sistema strutturale, basato sull utilizzazione di uno scaricatore di piena e di una vasca di prima pioggia, per il controllo dei volumi idrici, delle masse e delle concentrazioni di inquinante scaricate. Introduzione Il crescente processo di urbanizzazione che, negli ultimi decenni, ha visto coinvolte le realtà cittadine di tutto il mondo, ha condotto a un graduale mutamento dell assetto territoriale. Aree verdi e superfici comunque permeabili sono state a poco a poco sostituite da superfici impermeabili: tetti, strade, parcheggi e marciapiedi. Una delle conseguenze di tale sviluppo urbanistico è stata la progressiva alterazione dei fenomeni naturali che costituiscono il ciclo della risorsa idrica. A causa dell impermeabilizzazione delle superfici, una quantità sempre maggiore di acqua meteorica, anziché infiltrarsi nel terreno, scorre lungo la superficie del suolo e va ad alimentare direttamente i corpi idrici superficiali trascinando con sé le sostanze inquinanti che incontra lungo il suo percorso. Fra le principali fonti di inquinamento delle acque meteoriche di ruscellamento in ambiente urbano vanno annoverate: - il lavaggio dell atmosfera operato dalla precipitazione durante gli eventi meteorici; - la deposizione atmosferica che ha luogo sulle superfici in tempo asciutto; - le deiezioni animali e i residui organici presenti sulle superfici impermeabili; - le emissioni del traffico veicolare; - l erosione del manto stradale; - le operazioni di manutenzione stradale. 1

2 Durante il ruscellamento, le acque di pioggia si arricchiscono di varie sostanze inquinanti: solidi sospesi, sostanze organiche, nutrienti, quali azoto e fosforo, metalli pesanti, idrocarburi, ecc. L entità e la tipologia del carico inquinante veicolato dipendono essenzialmente dalla destinazione d uso delle superfici impermeabili dilavate: le sostanze contenute nelle acque meteoriche che dilavano una superficie adibita a tetto saranno diverse da quelle contenute nelle acque che scorrono su un area a parcheggio. La letteratura scientifica presenta un abbondante casistica di determinazioni della qualità delle acque meteoriche di dilavamento nelle più svariate situazioni. Si riporta l indicazione bibliografica di alcuni lavori (Weibel S.R. e altri, 1964; De Filippi J.A., Shih C.S., 1971; Sartor J.D. e altri, 1974; Wanielista M.P. e altri, 1977; Lindholm O., Balmèr P., 1978; Novotny V., Chesters G., 1981; Reinertsen T. R., 1982; Veltri P., 1988; Larson M. e altri, 199; La Loggia G., Viviani G., 1992; Artina e altri, 1997; Calenda G., 1997; Ciaponi e altri, 22; Milano e altri, 22) per mostrare che da oltre un trentennio sono in corso studi nel mondo su tale problematica. Dall'inizio degli anni '9, anche in Italia alcuni bacini sperimentali sono stati attrezzati per campionare, e quindi analizzare in laboratorio, le acque di dilavamento di alcuni tipi di superfici. A Pavia, da 15 anni è in funzione il bacino urbano sperimentale denominato Cascina Scala, situato alla periferia nord della città. In questo bacino, inizialmente attrezzato solo per la raccolta di dati utili allo studio e all interpretazione della trasformazione afflussi-deflussi dal punto di vista quantitativo, da 4 anni sono in corso anche campagne di campionamento automatico e di analisi delle acque defluenti nella rete fognaria mista durante eventi meteorici. I numerosi dati raccolti hanno permesso di affrontare lo studio della qualità delle acque meteoriche di dilavamento di aree urbanizzate e della qualità delle acque defluenti in una fognatura mista in tempo di pioggia. Dall esame della letteratura scientifica internazionale e delle risultanze delle campagne sperimentali condotte in Italia emerge chiaramente che è assolutamente giustificata l opinione, ormai sempre più diffusa nella comunità scientifica, che, per perseguire un effettivo miglioramento qualitativo dei corpi idrici, non è sufficiente depurare le sole acque reflue, ma è anche necessario mettere in atto opportune strategie per il controllo degli scarichi di origine meteorica. Il bacino sperimentale di Cascina Scala (Pavia) e la sua rete di drenaggio Il bacino sperimentale Il bacino urbano di Cascina Scala è un area residenziale localizzata in un quartiere periferico di Pavia. L area è prettamente pianeggiante, con leggera pendenza ( i =,15%) in direzione NW SE. Fino al mese di Aprile 21, la superficie totale del bacino era pari a 14,37 ha, di cui 3,2 ha costituiti da aree permeabili non connesse al sistema di drenaggio. L area totale contributiva del bacino ammontava quindi a 11,35 ha, di cui 7,37 ha (65%) costituiti da aree impermeabili (strade, piazze, parcheggi, vialetti e tetti) e 3,98 ha (35%) costituiti da superfici permeabili (giardini privati e pubblici, piccoli orti) che possono risultare parzialmente contributive al deflusso in fognatura in occasione di eventi meteorici particolarmente intensi. 1

3 La superficie dei tetti, prevalentemente del tipo a falda, ammontava a 2,54 ha (22,4%). La popolazione residente ammontava a circa 13 unità. Nel Maggio del 21 è stata completata la ristrutturazione a scopo residenziale dell antica cascina, da cui ha preso il nome il bacino, ubicata a SE del quartiere, presso la stazione pluviometrica denominata P2. Tale area è stata connessa all esistente sistema di drenaggio sul tronco finale della rete (il numero 42). Il nuovo complesso residenziale occupa una superficie di 1,33 ha, di cui,53 ha impermeabili e,8 ha permeabili; i tetti occupano una superficie di,33 ha; le strade e i parcheggi privati occupano una superficie di,2 ha di cui,5 ha privi di sistema di drenaggio e recapitanti su suolo permeabile. Il bacino di Cascina Scala è idrologicamente ben isolato dal territorio circostante e quindi si può escludere l esistenza di afflussi provenienti da aree esterne allo stesso. La figura 1 mostra il bacino sperimentale, con le varie tipologie di copertura superficiale, e la struttura planimetrica della rete di drenaggio. La rete di drenaggio Il sistema fognario che drena il bacino è di tipo misto e si compone di 42 tronchi. Lo sviluppo longitudinale complessivo della rete ammonta a 2.45 m; la densità media di drenaggio è pari a,14 m/m². I canali, tutti in calcestruzzo, sono a sezione circolare nei tratti più a monte e a sezione ovoidale in quelli terminali. Il diametro dei canali circolari è compreso fra 3 e 6 cm e le dimensioni dei canali ovoidali variano fra 6 x 9 cm e 7 x 15 cm. La pendenza dei vari tronchi, piuttosto ridotta data la limitata pendenza naturale del terreno, è compresa tra 1,5 e 1,1 per mille, con valore medio ponderale pari al 4,2 per mille. La strumentazione del bacino sperimentale La strumentazione installata nel bacino di Cascina Scala è composta da due pluviografi, un misuratore di livello a bolle, un campionatore automatico refrigerato, una sonda termometrica esterna, una sonda multiparametrica di conducibilità e temperatura installata nella sezione di chiusura della rete di drenaggio. Il monitoraggio delle precipitazioni avviene con l impiego di due pluviografi SIAP a bascula con sensore di precipitazione UM 755. IL sensore misura la precipitazione intercettata da una bocca tarata di,1 m 2 ed è costituito da una coppia di vaschette che ruotano intorno ad un asse di simmetria. Ogni,2 mm di precipitazione, la vaschetta ruota verso il basso e si vuota, mentre quella che era in basso si posiziona sotto la bocca tarata. 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. Il sensore adottato per la misura della temperatura dell aria è del tipo SIAP TM 982. La precisione di misura è ±,3 % e la sensibilità è di,1 C. Per la misura delle portate è stato realizzato sul tronco finale della rete un modellatore a risalto mediante il restringimento della sezione ovoidale 7 x 15 cm, così da ottenere una sezione idonea a determinare il passaggio della corrente per lo stato critico per tutte le altezze di moto maggiori o uguali a 14 cm. La scala di deflusso dal canale reale è stata calibrata sperimentalmente in laboratorio. 2

4 Figura 1 Il bacino sperimentale di Cascina Scala, con le varie tipologie di copertura superficiale, e la struttura planimetrica della rete di drenaggio. La misura del livello nella sezione terminale della rete, immediatamente a monte del modellatore a risalto, prima effettuata con un sensore a ultrasuoni, viene attualmente fatta con un misuratore di livello a bolle ISCO (modello 423); un sensore di pressione atmosferica garantisce il continuo adeguamento della misura. Per il monitoraggio della qualità dell acqua defluente nel collettore è stato installato un campionatore ISCO 67 FR, cioè un campionatore fisso refrigerato. Operativamente il modello installato consente di prelevare fino a 24 campioni da 1 litro ciascuno, secondo la programmazione impostata. I campioni così prelevati vengono sottoposti ad analisi di laboratorio per determinare le concentrazioni di alcuni parametri di riferimento: COD, BOD 5, Idrocarburi, Solidi sospesi e sedimentabili, Azoto totale e ammoniacale, Fosforo, Piombo e Zinco. La sonda impiegata per il monitoraggio in continuo della qualità delle acque di deflusso è del tipo YSI e rileva i parametri temperatura e conducibilità specifica. I dati sperimentali acquisti I dati pluviometrici ed idrometrici sono stati acquisiti sistematicamente. 3

5 I dati di qualità delle acque defluenti nella rete fognaria durante gli eventi meteorici sono stati acquisiti nel corso di due campagne sperimentali svolte nei periodi di Giugno-Luglio 2 e Marzo-Aprile 21 e di una terza campagna del 23 ancora in corso. Al fine di caratterizzare qualitativamente anche le acque di tempo asciutto defluenti nella rete di drenaggio, nel mese di Febbraio 21 è stata effettuata una campagna di prelievi in tempo secco durante la quale sono stati prelevati 12 campioni ad intervalli costanti di 2 ore, così da coprire l arco dell intera giornata. I dati acquisiti attraverso queste tre campagne si riferiscono a 21 eventi meteorici nel corso dei quali sono stati prelevati, per le successive analisi, 254 campioni. Le principali caratteristiche dei 21 eventi sono riportate in tabella 1. La tabella 2 riporta, per ciascuno dei 21 eventi campionati, il numero dei campioni prelevati, il tempo secco antecedente l evento meteorico, le masse e le concentrazioni medie di SS e BOD 5 associate all idrogramma di piena e il range delle concentrazioni di SS e BOD 5 misurate nei vari campioni. Solo per alcuni eventi sono riportate le masse e le concentrazioni medie associate all idrogramma di piena poiché la loro determinazione è fattibile solo nei casi in cui i campionamenti coprono adeguatamente l intero idrogramma sperimentale. Il numero di campioni prelevati è fortemente variabile da evento a evento; ciò è dovuto sia alla programmazione del campionatore, che abilita il prelievo solo in presenza di un livello minimo in fognatura, sia a problemi vari connessi con il prelievo di acque grezze. La tabella 3 riporta tutte le caratteristiche qualitative delle acque di deflusso rilevate in tre eventi. Le figure 2,3,4 mostrano, per i tre eventi citati, l idrogramma di piena e le concentrazioni di SS rilevate nei singoli campioni. La figura 5 mostra, per uno dei tre eventi, l idrogramma di piena, le concentrazioni di SS, BOD 5 e COD rilevate nei singoli campioni e il valore di portata corrispondente a 5 volte la portata media di tempo secco. 4

6 Tabella 1 Le principali caratteristiche degli eventi meteorici campionati Evento Data Durata di pioggia [min] Altezza di pioggia [mm] Portata massima meteorica [l/s] Volume di deflusso meteorico [m 3 ] 1 1/6/ 11 12,8 969 (*) 634 (*) 2 11/6/ ,4 939 (*) 1655 (*) 3 11/6/ , /6/ 3 2, /6/ 18 16, /6/ 23 15, /7/ 5 7, /7/ 64 11, /7/ 215 1, /3/ , /3/ , /3/ , /3/1 11 8, /4/ , /3/3 1 4, /4/ , /4/ , /6/ ,8 15(*) 26(*) 19 24/7/ , /7/ , /9/ , (*) Valore stimato mediante simulazione perché la rete è andata in pressione 5

7 Tabella 2 La qualità delle acque di deflusso negli eventi meteorici campionati Evento Data Numero di campioni prelevati Tempo secco antecedente [giorni] Masse [kg] EMC [mg/l] Range delle concentrazioni [mg/l] SS BOD5 SS BOD5 SS BOD5 1 1/6/ 1 4, /6/ 5, /6/ 3, /6/ 1, /6/ 18 1,8 288,7 129, /6/ 12 4, /7/ 8 3,3 351,9 78, /7/ 12 1,8 118, 26, /7/ 4, /3/1 12, /3/1 24 3,9 165,9 98, /3/ , 126,3* 18,4* 12* 13* /4/1 16 3,3 21,3 117, /4/1 22, 366,5 197, /3/3 7,6 151,6 124, /4/3 5 5, /4/3 19 1, , /6/3 2 29, /7/ ,9 247, 97, /7/3 2 6,8 18,4 91, /9/3 9 14,2 126, 61, La distribuzione temporale dei campioni non consente una corretta stima delle masse e del EMC * Valore affetto da incertezza per indisponibilità di campioni nella seconda parte dell idrogramma 6

8 Tabella 3 La qualità delle acque defluenti nel sistema fognario misto Camp. Cond. COD BOD 5 Idroc SS tot SS sed N tot N am P Pb Zn µs/cm mg/l mg/l mg/l mg/l ml/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l EVENTO 12 del 28/3/ , 21,3 4,4,6, , ,3 15,5 4,81,3, , ,6 25,3 12,4,18 1, , , 15,4 9,82,16, , ,7 19,5 8,3,15, , ,3 7,8 3,83,85, , ,1 5,8 3,52,75, , ,5 9,8 7,,13 1, , ,2 7,6 3,2,57, , , 7, 3,1,85, , ,3 8,5 3,18,61, , , 7, 2,66,65, , ,4 6,9 2,,43, , , 6,6 1,77,37, , ,5 6,5 1,2,44, , , 7,1,91,35, , ,5 5,9,94,32, , ,1 4,6 1,23,45, , ,6 6,1 1,1,68, <, ,6 3,7 1,4,28, <, ,2 5,4,96,67, <, ,7 5,7,82 13,1, <, ,5 5,8,53,71, <, ,8 5,6 1,1,39,54 EVENTO 14 del 2/4/ ,6 39,6 3,91 8,95, ,7 18,7 6,43,14, , 21,1 6,35,11, ,7 19, 6,27,15, , 13,7 4,53,1, ,3 9,5 2,18,61, ,8 9, 1,54,33, ,5 18,7 9,4,67,21, ,1 9,9,76,3, ,8 12,6,81,3, ,6 17, 1,3,37, ,3 19,9 1,12,47, ,7 1,6 2,4,5,29 7

9 Continuazione Tabella 3 La qualità delle acque defluenti nel sistema fognario misto Camp. Cond. COD BOD 5 Idroc SS tot SS sed N tot N am P Pb Zn µs/cm mg/l mg/l mg/l mg/l ml/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l ,7 8,5 1,8,33, ,4 13,9,7,27, ,8 24,2 1,17,4, ,4 7,7 3,6,14, ,1 6,8 2,19 1,4, ,3 15,7 1,1,35, ,8 11,8,83,31, ,5 18,9 1,12,32, ,3 15,,8,29,2 Evento 17 del 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, , ,6 3,33 4,48,22, , ,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, ,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, ,9 74,9 32 5,17 2 1,29 6,5 2,37,53,4, ,1 56,2 28 7,76 2,71 9,3 2,36,38,6, , ,3 4,8 5,6 2,23,46,4, , ,4 2,67 14,1 2,9,31,4, ,3 93,6 3 9,84 2,14 1,4 2,3,39,4, ,6 93,6 45 2,1 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 8

10 25 3 Concentrazione [mg/l] Portata [l/s] Tempo [min] Concentrazioni sperimentali di SS Idrogramma Figura 2 Idrogramma lordo e concentrazioni sperimentali di SS - evento del 28 Marzo Concentrazione [mg/l] Portata [l/s] Tempo [min] Concentrazioni sperimentali di SS Idrogramma Figura 3 Idrogramma lordo e concentrazioni sperimentali di SS - evento del 2 Aprile 21 9

11 16 14 Concentrazione [mg/l] Portata mista [l/s] Tempo [min] Concentrazioni sperimentali SS Idrogramma lordo Figura 4 Idrogramma lordo e concentrazioni sperimentali di SS - evento del 11 Aprile 23 Concentrazione [mg/l] Allegato I, direttiva 91/271/CEE (UWWTD) SS=35 mg/l BOD5=25 mg/l COD=125 mg/l Portata [l/s] Tempo [min] SS COD BOD5 Idrogramma Portata di sfioro = 5 DWF Figura 5 Idrogramma lordo; portata pari a 5 volte la portata media di tempo secco; concentrazioni di SS, BOD 5 e COD - evento del 2 Aprile 21 1

12 Analisi statistica dei dati di qualita delle acque meteoriche di dilavamento Tra i parametri analizzati rivestono particolare importanza nelle aree urbane i solidi sospesi, parametro sintetico del livello di inquinamento generale, e il COD che, insieme al BOD5, fornisce un indicazione relativa all inquinamento organico. Peraltro, nei modelli matematici che cercano di simulare la dinamica degli inquinanti associati alle acque di dilavamento, i solidi sospesi sono spesso assunti come parametro di riferimento. Sono state analizzate le correlazioni esistenti fra differenti parametri. Per quanto riguarda il COD e il BOD 5 si nota un elevato grado di correlazione con i solidi sospesi. Per i dati relativi ai 64 campioni prelevati nel corso della campagna sperimentale del Giugno-Luglio 2 il risultato della correlazione è il seguente: [ mg l], SS [ mg l] [ mg l], SS [ mg l] COD = 776 Coefficiente di correlazione R =,86 BOD5 = 312 Coefficiente di correlazione R =,77 Per i dati relativi ai 98 campioni prelevati nel corso della campagna sperimentale del Marzoaprile 21 il risultato della correlazione è il seguente: [ mg l] 1, SS [ mg l] [ mg l], SS [ mg l] COD = 328 Coefficiente di correlazione R =,95 BOD5 = 715 Coefficiente di correlazione R =,95 Questi risultati confermano l esistenza di un legame forte nelle acque di dilavamento urbano tra la concentrazione di BOD 5 di COD e le concentrazione di solidi sospesi. I risultati mostrano però una sistematica diversità di questo legame per i campioni relativi alle due campagne sperimentali. Ciaponi e altri [Ciaponi e altri, 22, C] hanno ipotizzato che il differente comportamento delle due serie fosse imputabile a variazioni relative a fattori esterni al sistema bacino-rete quali, ad esempio, le differenti caratteristiche della precipitazione che condizionano il processo di dilavamento e le differenti temperature esterne che condizionano la cinetica di degradazione dell inquinante. Le precipitazioni estive, caratterizzate da maggiore intensità rispetto a quelle primaverili, danno luogo a maggiori portate di deflusso superficiale in grado di rimuovere dalla superficie del bacino e trascinare in fognatura un maggior quantitativo di solidi sospesi, in gran parte inerti; si riduce di conseguenza il rapporto COD/SS. Le elevate temperature esterne estive accelerano i processi di biodegradazione della sostanza organica presente sulla superficie del bacino e di conseguenza si riduce il rapporto BOD 5 /SS. Il legame COD - SS dovrebbe quindi essere espresso in funzione della temperatura esterna, oltre che, ovviamente, del tipo di uso del suolo. La figura 6 mostra le correlazioni sperimentali tra BOD 5 e Solidi Sospesi distinte per serie. 11

13 2 15 BOD5 (mg/l) SS (mg/l) Dati Marzo-Aprile 21 Dati Giugno-Luglio 2 Lineare (Dati Marzo-Aprile 21) Lineare (Dati Giugno-Luglio 2) Figura 6 Correlazioni sperimentali tra BOD 5 e Solidi Sospesi distinte per serie. Il controllo dell inquinamento delle acque meteoriche di dilavamento Dall esame delle figure 2,3,4,5 e della tabella 3 emerge chiaramente che nella prima parte dell evento di piena le concentrazioni aumentano drasticamente, anziché ridursi per effetto della diluizione delle acque reflue che dovrebbe essere operata dalle acque di origine meteorica (ipotesi su cui si basava l impiego degli scaricatori di piena nelle fognature miste). I dati di Tab.3 sono affetti da un qualche grado di incertezza per quanto riguarda il contributo inquinante connesso con le sole acque di dilavamento, a causa soprattutto della possibile ripresa in sospensione del materiale eventualmente sedimentato in tempo asciutto operata dal deflusso connesso con l evento meteorico, ma questa è comunque la realtà della maggior parte delle fognature miste. 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 (Paoletti e Papiri, 23). 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 e 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 ad 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. L efficacia degli interventi strutturali può essere valutata mediante simulazione qualiquantitativa della trasformazione afflussi-deflussi. 12

14 Tramite modelli fisicamente basati è possibile quantificare l inquinamento indotto nei corpi idrici dallo scarico diretto delle acque meteoriche defluenti in fognature miste o pluviali. Utilizzando il modello SWMM (Storm Water Management Model), è stata effettuata la simulazione continua quali-quantitativa della trasformazione degli afflussi meteorici osservati per un anno in deflussi nella rete mista di drenaggio del bacino urbano sperimentale di Cascina Scala (Pavia) per valutare l efficacia di uno scaricatore di piena come sistema di controllo dei volumi idrici, delle masse e delle concentrazioni di inquinante scaricate. Per la simulazione continua è stato preso in considerazione l anno 1997, nel quale si sono avuti 61 giorni piovosi (altezza di pioggia 1 mm) e un altezza totale di precipitazione di 836 mm. La prima simulazione è stata effettuata considerando il sistema fognario esistente come una fognatura di tipo esclusivamente pluviale e ciò al fine di determinare i pollutogrammi dovuti alle sole acque di origine meteorica. Nella seconda simulazione si è considerato il sistema fognario esistente misto con la reale variabilità media, durante il giorno, della portata delle acque reflue di tempo asciutto; non si sono considerati i fenomeni di sedimentazione e di risospensione in rete (scour and deposition) durante il tempo secco e ciò al fine di valutare il mero effetto sui pollutogrammi in tempo di pioggia della miscelazione delle acque di origine meteorica con le acque reflue. Nella terza simulazione si è considerato anche il fenomeno di deposito e risospensione in rete per valutare gli effetti sulle concentrazioni e sulle masse di inquinanti scaricate nei corpi idrici ricettori della risospensione dei sedimenti presenti in fognatura operata dalle portate meteoriche; tale evenienza è abbastanza frequente nei centri urbani pianeggianti, avendo le reti fognarie pendenze molto deboli. In tutte e tre le simulazioni si è considerata la presenza sul collettore finale della rete di drenaggio di uno scaricatore di piena e se ne è valutata l efficacia al variare della portata di inizio sfioro. I valori di concentrazione media e massima di SS nelle acque di origine meteorica, risultanti dalla simulazione, pari rispettivamente a 442 mg/l e a mg/l, sono in ottimo accordo con i valori riportati in letteratura (Weibel S.R. e altri, 1964; De Filippi J.A. e Shih C.S., 1971; Lindholm O. e Balmèr P., 1978) e quindi sono da ritenere plausibili pur in assenza di verifica sperimentale. Il carico totale annuo di SS dilavato dalle acque meteoriche, risultante dalla simulazione, pari a kg, è in buon accordo con il valore ( kg) che si otterrebbe utilizzando una relazione sperimentale usata negli Stati Uniti per predire in fase di pianificazione il carico annuo di SS in funzione dell uso del suolo, dell altezza totale di precipitazione e della densità abitativa del bacino (Field e altri, 1977). Le curve dei volumi meteorici e dei carichi di SS connessi, contemporaneamente transitanti dalla sezione di chiusura del bacino, mostrano un accentuato fenomeno di first flush per la maggior parte degli eventi con altezza di precipitazione superiore ai 1 mm; ciò è in accordo con quanto sostenuto da Larson e altri (Larson M. e altri, 199) che indicano come il fenomeno del first flush sia di rilievo proprio per i solidi sospesi. Nella figura 7 sono riportati il numero di eventi che generano scarico e, normalizzati rispetto ai valori corrispondenti a presenza di scaricatore di piena con portata di soglia specifica nulla, la massa di SS e i volumi idrici scaricati, al variare della portata di soglia dello scaricatore, nel caso di assenza di depositi in rete. 13

15 Numero di scarichi annui Eventi che generano scarico Massa scaricata Volume scaricato Vscar/Vmax Mscar/Mmax Portata di soglia specifica [l/(s*haimp)] Figura 7 Numero di scarichi annui; volumi idrici e masse di SS scaricati, normalizzati, in assenza di depositi in rete La figura 8 riporta, normalizzati rispetto ai valori corrispondenti a portata di soglia nulla, le masse di SS scaricate in presenza e in assenza di deposito in rete. Emerge chiaramente che, in presenza di fenomeni consistenti di deposito in rete, l efficacia dello scaricatore sul controllo delle masse di inquinante è estremamente modesta anche per valori molto elevati della portata di soglia specifica. 1,2 1, Massa con deposito Massa senza deposito Mscar/Mmax,8,6,4,2,, 1, 2, 3, 4, 5, Portata di soglia specifica [l/(s*ha)] Figura 8 Confronto fra masse normalizzate di SS scaricate in presenza e in assenza di deposito in rete Analizzando l andamento delle probabilità di non superamento rispettivamente delle concentrazioni medie e di quelle massime allo scarico di ogni evento si osserva che, con probabilità di non superamento P =,9 in assenza di fenomeni di deposito in rete, la concentrazione media di SS è pari a circa 8 mg/l e quella massima è pari a circa 177 mg/l; in presenza di fenomeni di deposito in rete, la concentrazione media di SS è pari a circa 18 mg/l e quella massima è pari a circa 4 mg/l. Si osserva, inoltre, come il valore della 14

16 portata di soglia non influenzi né la concentrazione media annua di SS allo scarico, i cui valori rimangono sempre molto elevati in presenza di deposito in rete, né la distribuzione di probabilità delle concentrazioni medie del singolo evento e influenzi poco la distribuzione di probabilità delle concentrazioni massime. Sembra emergere chiaramente che, almeno per le urbanizzazioni di tipo residenziale e per i regimi pluviometrici dell Italia del Nord (Mignosa P. e altri, 1991; Papiri S., 2), il controllo quali-quantitativo dello scarico nei corpi idrici basato esclusivamente sull utilizzazione nelle reti urbane di scaricatori di piena dimensionati secondo i criteri usuali è assolutamente inadeguato; con il clima italiano non è possibile limitare efficacemente né il numero di scarichi annui, né le masse di inquinanti scaricate, né le concentrazioni degli inquinanti allo scarico neppure adottando i valori più elevati del rapporto di diluizione r, che comunque comporterebbero elevati oneri di investimento sia per le reti di drenaggio che per gli impianti di trattamento e problemi gestionali di questi ultimi. Il controllo degli scarichi di origine meteorica, finalizzato alla riduzione della frequenza degli sfiori e dell impatto inquinante sui corpi idrici ricettori, può essere attuato attraverso l impiego di scaricatori di piena e di vasche di prima pioggia, ove immagazzinare temporaneamente i volumi idrici in arrivo con i relativi carichi inquinanti per poi convogliarli alla depurazione al termine dell evento meteorico. La grande efficacia delle vasche di prima pioggia, anche con dimensioni relativamente contenute, è dovuta al fenomeno del first flush, bene evidenziato dall evento simulato con lo SWMM riportato in figura 9. Tale fenomeno è statisticamente quello nettamente più frequente, anche se possono verificarsi isolati fenomeni di last flush. Cumulate dei volumi e delle masse t (min) Volume, V tot = 523 m 3 Solidi, M tot = 39 kg COD, M tot = 421 kg Figura 9: Il fenomeno del first flush in un evento simulato con lo SWMM Al fine di mostrare l efficacia del controllo degli scarichi basato sull impiego di scaricatori di piena e vasche di prima pioggia si è simulato il comportamento di uno scaricatore di piena e 15

17 di una vasca di prima pioggia localizzati nella sezione di chiusura del bacino al variare della portata di soglia dello scaricatore e del volume specifico della vasca. Le analisi numeriche svolte hanno permesso di determinare l effetto di una vasca di prima pioggia sull abbattimento dei volumi idrici e delle masse di inquinante scaricati nei ricettori in funzione di alcune variabili fondamentali quali: tipologia del sistema fognario (misto, separato); tipologia della vasca (fuori linea, in linea); volume utile della vasca; dimensionamento dello scaricatore. Si sono presi in considerazione valori del volume specifico della vasca fino a 2 m 3 /ha imp e valori del rapporto di diluizione compresi tra 2 e 6. Per ogni singola simulazione effettuata con lo SWMM, per ogni tipologia di invaso considerata, si sono riportati il volume d acqua e la massa d inquinante scaricati, le concentrazioni medie e massime dello scarico verso il ricettore per diverse combinazioni del rapporto di diluizione e del volume specifico della vasca. A titolo di esempio si riportano nella Fig.1 i risultati conseguibili, derivanti dalla simulazione, nel caso di sistema fognario separato inserendo sulla rete di drenaggio delle acque meteoriche uno scaricatore di piena abbinato ad una vasca off-line con by-pass a completo riempimento. La figura 11 mostra chiaramente come la tipologia del sistema fognario influenzi pochissimo le masse di inquinanti scaricate, a parità di dimensionamento dei dispositivi di controllo. L indagine ha dimostrato in modo inequivocabile che l obiettivo di una drastica riduzione del carico inquinante versato nei ricettori può essere conseguito solo con l adozione combinata di scaricatori di piena e invasi. Invasando temporaneamente le portate di piena derivanti da eventi meteorici di debole o media entità, e quindi di elevata frequenza, e la prima frazione più inquinata degli eventi di media e grande entità è possibile ridurre drasticamente il numero medio annuo degli scarichi nei ricettori e anche il carico annuo in essi sversato. Figura 1 Sistema fognario separato con scaricatore ideale e vasca off-line, con by-pass a completo riempimento. Massa specifica scaricata [kg/ha imp anno] in funzione del rapporto di diluizione R e del volume specifico della vasca di prima pioggia [m 3 /ha imp ] per un sistema di fognatura in cui i fenomeni di deposizione e di risollevamento dei sedimenti non siano trascurabili. 16

18 Figura 11 Vasca di cattura fuori linea. Massa specifica annua allo scarico [kg/ha imp ] in funzione della tipologia del sistema fognario e del volume specifico della vasca di prima pioggia [m 3 /ha imp ] per un valore del rapporto di diluizione pari a 3. Un altra serie di eventi meteorici, registrati nel bacino urbano di Cascina Scala nell anno 2, è stata simulata utilizzando un modello concettuale globale recentemente proposto per la stima dei flussi di massa di inquinanti durante eventi meteorici, preventivamente calibrato sulla base di eventi sperimentali per i quali erano disponibili sia dati di quantità che di qualità (Ciaponi e altri, 22, A). La serie storica è di 98 eventi per un totale di precipitazione annua pari a 976,4 mm. Al fine di simulare la funzionalità di un sistema strutturale di controllo degli scarichi, basato sull impiego di scaricatore di piena e vasca di prima pioggia, in una fognatura pluviale, si sono fatti variare i seguenti parametri di input: portata di sfioro dello scaricatore di piena, volume specifico della vasca di prima pioggia per ettaro di area impermeabile del bacino, valore della costante di invaso del sistema bacino-rete (Bornatici e altri, 23). I risultati della simulazione hanno confermato sostanzialmente quanto ottenuto con la simulazione continua degli eventi del 1997 effettuata con il modello SWMM e hanno consentito di concludere che in un sistema fognario per acque meteoriche, l impiego di uno scaricatore di piena dimensionato sulla base di una portata di inizio sfioro di 1-1,5 l/s per ettaro contributivo, accoppiato con un bacino di stoccaggio fuori linea avente un volume di 5 m 3 per ettaro contributivo, consente una riduzione del carico di solidi sospesi scaricati nel ricettore di circa l 8%. La simulazione riferita agli eventi del 2 ha mostrato, inoltre, che l estensione del bacino di drenaggio sotteso dal sistema di controllo (rappresentata sinteticamente dal valore della costante di invaso) sembra influenzare molto debolmente il rendimento del sistema di controllo. 17

19 Conclusioni Le acque meteoriche defluenti dalle aree urbanizzate veicolano una grande quantità di inquinanti di varia natura e rappresentano un importante fonte di inquinamento dei corpi idrici ricettori. I processi di formazione, accumulo e rimozione degli inquinanti nel bacino e nella rete di drenaggio sono governati da fattori caratterizzati da elevata aleatorietà e ciò determina una forte variabilità, da evento a evento, delle caratteristiche qualitative delle acque di drenaggio urbane Nei sistemi fognari misti il numero di eventi che generano scarico decresce poco all aumentare della portata di soglia specifica dello scaricatore di piena e comunque rimane sempre elevato anche per valori molto grandi di quest ultima. Solo con valori molto elevati della portata di soglia specifica, in genere non ammissibili per l impianto di trattamento, è possibile conseguire una consistente riduzione dei volumi idrici e delle masse di inquinante scaricate direttamente nel ricettore. L obiettivo di una drastica riduzione del carico inquinante versato nei ricettori può essere conseguito solo con l adozione combinata di scaricatori di piena e invasi. La scelta fra sistema misto e sistema separato non può essere effettuata sulla base della loro differente efficacia di controllo dell inquinamento dei corpi idrici ricettori, almeno in termini di SS, BOD 5 e COD. Con gli usuali criteri di dimensionamento degli scaricatori di piena (rapporto di diluizione compreso fra 3 e 5) e vasca di prima pioggia di volume pari a circa 5 m 3 /ha imp, i due sistemi consentono di conseguire circa lo stesso grado di protezione dei corpi idrici ricettori. Un sistema fognario separato nel quale tutte le acque meteoriche di dilavamento vengono scaricate nel ricettore senza trattamento è molto più inquinante di un sistema fognario misto correttamente progettato, cioè con scaricatori di piena dimensionati secondo i criteri usuali e vasche di prima pioggia con volume specifico dell ordine di 5 m 3 /ha imp. Nei sistemi fognari misti sembra ragionevole proporre lungo la rete l impiego solo di scaricatori di piena dimensionati con valori molto elevati della portata di soglia specifica (dell ordine di 5 l/s per ettaro contributivo) e comunque con valore R del rapporto di diluizione dell ordine di 1. In testa all impianto di trattamento delle acque reflue si propone l abbinamento di uno scaricatore di piena dimensionato con valore di R dell ordine di 2, e di una vasca di prima pioggia, dimensionata sulla base di un volume specifico dell ordine di 5 m 3 /ha imp. Bibliografia Artina S., Maglionico M., Marinelli A. (1997), Le misure di qualità nel bacino urbano Fossolo, Atti del Seminario sui Deflussi Urbani di San Cassiano, Marzo 1995, in Modelli quali-quantitativi del drenaggio urbano, CSDU, Milano. Barco O. J., Ciaponi C., Papiri S. (23). Quantitative and Qualitative Analysis of Storm Water Runoff in an Urban Experimental Catchment.. 2nd World Wide Workshop for Young Environmental Scientists (WWW-YES). Discharged urban waters: resource or risk?. May Paris (France). Bornatici L., Ciaponi C., Papiri S. (23). Control of Urban Runoff Stormwater Discharge to Receiving Waters Using Offline Storage. Enhancing Urban Environment by Environmental Upgrading and Restoration. NATO-ARW. November 5-8. Roma (Italy). 18

20 Calenda G. (1997), Qualità delle acque - Capitolo 7 di Sistemi di Fognatura. Manuale di progettazione, Ed. Centro Studi Deflussi Urbani e HOEPLI, Milano. Ciaponi C., Conti F., Papiri S., Urbini G. (22, C), Prima interpretazione di dati sperimentali sulla qualità delle acque defluenti in reti fognarie miste, VI Sibesa- Simposio Italo Brasileiro de Engenharia Sanitaria e Ambiental. 1-5 de Setembro de 22. Vitoria- ES - Brasil. Ciaponi C., Mutti M., Papiri S. (22, A). A conceptual model for the estimation on loadographs in sewer networks during meteorological events. 2nd International Conference - New Trends in Water and Environmental Engineering. June Capri (Italy). Ciaponi C., Mutti M., Papiri S. (22, B), Storm Water Quality in the Cascina Scala (Pavia Italy) Experimental Catchment, 2nd International Conference. New Trends in Water and Environmental Engineering for Safely and Life: Eco-compatible Solutions for Aquatic Environmentals, June 24-28, Capri, Italy. De Filippi J.A., Shih C.S. (1971), Characteristics of separated storm and combined sewer flows, Jour. of Water Poll. Control Fed., vol. 43. Field R., Tafury A.N., Masters H.E. (1977), Urban runoff pollution control technology overview, U.S. EPA Series, 6/ La Loggia G., Viviani G. (1992), Misure delle caratteristiche di qualità delle acque di pioggia nel bacino di Parco D Orleans. Analisi dei primi risultati, Atti del III Seminario su: Sistemi di drenaggio Urbano, Ancona, febbraio. Larson M., Berndtsson R., Hogland W., (199), Field measurements and mathematical modelling of pollution buildup and pipe-deposit washout in combined sewers, Proc. 5 Int. Conf. on Urban Storm Drainage, Osaka, Giappone, vol.1, pp Lindholm O., Balmér P. (1978), Pollution in storm runoff and combined sewer overflows, Proceedings of the First International Conference on Urban Storm Drainage, Southampton, Gran Bretagna, pp Mignosa P, Paoletti A., Passoni G. (1991), Carichi effluenti dagli scaricatori di piena di fognature unitarie, Idrotecnica, n. 3. Milano V., Pagliara S., Dellacasa F.(22), Urban stormwater quantity and quality in the experimental urban catchment of Picchianti, 2nd International Conference. New Trends in Water and Environmental Engineering for Safely and Life: Eco-compatible Solutions for Aquatic Environmentals, Giugno 24-28, Capri, Italia. Novotny V., Chester G. (1981), Handbook of nonpoint pollution: sources and management, Van Nostrand Reinhold Co., New York. Paoletti A., Papiri S. (23). Sistemi fognari unitari e separati: aspetti funzionali e ambientali. Giornata di Studio: La Separazione delle Acque nelle Reti Fognarie Urbane. 25 Giugno. Roma (Italia). 19

21 Papiri S. (23). Qualità delle acque meteoriche di dilavamento, con particolare riferimento alle superfici stradali, e tecniche di controllo. 24 Corso di aggiornamento in Tecniche per la difesa dall inquinamento Giugno. Guardia Piemontese Terme (CS). Papiri S., Ciaponi C., Capodaglio A., Collivignarelli C., Bertanza G., Swartling F., Crow M., Fantozzi M., Valcher P. (22). Field Monitoring and Evaluation of Innovative Solutions for Cleaning Storm Water Runoff. IWA, World Water Congress. April Melbourne (Australia) Papiri S., Capodaglio A., Cuscianna F. (2). Storm water quality simulation for wet weather urban pollution control assessment in the Cascina Scala experimental catchment. New Trends in Water and Environmental Engineering for Safety and Life. July 3-7. Capri (Italy). Papiri S. (2), Gli scaricatori di piena nelle fognature miste alla luce dei risultati di una simulazione continua quali-quantitativa delle acque meteoriche nel bacino urbano sperimentale di Cascina Scala (Pavia) - Atti della II Conferenza Nazionale sul Drenaggio Urbano, Palermo, 1-12 Maggio 2. Reinertsen T.R. (1982), Quality of stormwater runoff from streets, Proceedings of the First Internaational Conference on Urban Storm Drainage- Southampton, Gran Bretagna, pp Sartor J.D., Boyd G.B., Agardy F.J. (1974), Water pollution aspects of street surface contaminants, Journal of Water Pollution Control Federation, vol. 46, n.3. Veltri P. (1988), La qualità delle acque nelle fognature urbane, In Tecniche per la difesa dall inquinamento. Atti dell 8 Corso di Aggiornamento - Ed. BIOS, Cosenza, pp Wanielista M.P., Yousef Y.A., McLellon W.M. (1977), Nonpoint sources effects on water quality, Journal of Water Pollution Control Federation, vol. 49, n.3, pp Weibel S.R., Anderson R.J., Woodward H.L. (1964), Urban land runoff as a factor in stream pollution, Journal of Water Pollution Control Federation, vol.36. Ringraziamenti La presente ricerca è stata svolta utilizzando fondi MURST 22 e fondi Premio ProvinciAmbiente 21 della Provincia di Milano. Si ringraziano gli Ingg. Paola Boriani, Laura Bornatici, Francesco Cuscianna, Daniela Maestroni, Cristiana Morosini, Matteo Mutti e Adriano Simone che nelle loro tesi di laurea hanno fornito un contributo allo svolgimento delle ricerche in oggetto. 2