Acque meteoriche di dilavamento: aspetti quantitativi, qualitativi e gestionali

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1 Ordine degli Ingegneri della Provincia di Bergamo Commissione Idraulica e Territorio in collaborazione con SISTEMI DI INFILTRAZIONE PER LO SMALTIMENTO DI ACQUE METEORICHE NEL SOTTOSUOLO: TIPOLOGIE, CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E CONSIDERAZIONI NI SULLE PROBLEMATICHE LEGATE ALLA QUALITÀ Acque meteoriche di dilavamento: aspetti quantitativi, qualitativi e gestionali Prof. Ing. Sergio Papiri Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale Centro di Ricerca sulle Acque Università degli Studi di Pavia Via Ferrata, Pavia papiri@unipv.it

2 Le criticità attuali La progressiva espansione delle aree urbanizzate, e il corrispondente incremento delle aree impermeabili, ha provocato notevoli aumenti delle portate al colmo e dei volumi di piena. Spesso le portate al colmo sono incompatibili con la capacità delle reti di drenaggio esistenti e dei corsi d acqua ricettori. Lo sviluppo urbanistico e il forte incremento del traffico veicolare hanno aumentato il grado di contaminazione delle acque pluviali di dilavamento, compromettendo le caratteristiche qualitative dei corpi idrici ricettori.

3 LA TUTELA DEI RICETTORI La tutela idraulica dei ricettori era, di norma, poco considerata in sede di progettazione dei sistemi fognari. La tutela della qualità dei corpi idrici superficiali era usualmente e storicamente affidata : nei sistemi fognari misti agli scaricatori di piena e agli impianti di trattamento delle acque reflue; nei sistemi fognari separati agli impianti di trattamento delle sole acque reflue; non si riteneva necessario il controllo delle acque meteoriche di dilavamento (ipotesi di acque meteoriche pulite).

4 Una tutela quantitativa totalmente insufficiente Provincia di Nuoro: piove e i tombini saltano; il Comune chiama Abbanoa. Sei alluvioni nel volgere di soli due anni con gravissimi danni alle abitazioni. 29 settembre Forte temporale a Milano, allagamenti e traffico in tilt. Caos per treni e metrò. 07 luglio 2009 (Adnkronos). Paralisi e danni a Livorno: saltano fognature e elettricità, si allagano strade e case. 06 febbraio 2009.

5 UNA TUTELA QUALITATIVA CHE NON TUTELA Idrogramma di piena e concentrazioni di inquinanti dell evento evento 11/04/2003 Cascina Scala (PV) Emissario di scaricatore di piena in testa a un impianto di depurazione Concentrazione SST [m COD [m BOD5 [m HC [m Set S [ml/l] TN [m AN [m P [m Pb [µ Zn [µ 5 DWF Portata [l/s] Tempo [minuti] 0 Conoscenza delle caratteristiche quantitative e qualitative delle acque che transitano nei sistemi fognari in tempo di pioggia Progettazione mirata e precisa delle opere destinate alla protezione IDRAULICA e AMBIENTALE dei corpi idrici ricettori

6 Le precipitazioni meteoriche Le informazioni sulla pluviometria connessa alla realtà italiana erano raccolte e pubblicate a cura del Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale (SIMN), originariamente alle dirette dipendenze del Ministero dei Lavori Pubblici e successivamente alle dipendenze della Presidenza del Consiglio dei Ministri; attualmente sono raccolte dagli uffici idrografici delle province autonome e delle regioni che, a seguito dell art. 92 del D. Lgs n. 112, hanno assunto le competenze del SIMN. Le regioni hanno affidato tali compiti alle proprie Agenzie Regionali per la Protezione Ambientale (ARPA).

7 Le precipitazioni meteoriche I regimi pluviometrici che caratterizzano le diverse regioni italiane presentano caratteristiche variabili e comprese tra quelle dei due d tipi estremi: il regime continentale e quello marittimo,, con i quali più raramente si identificano (Bandini( Bandini,, 1931; Tonini,, 1959). Il regime pluviometrico continentale, che corrisponde a un clima classificato tra quelli delle medie latitudini, è caratterizzato da un massimo di pioggia in estate e da un minimo in inverno, quello marittimo, classificato tra quelli subtropicali, al contrario, presenta p il massimo di precipitazione in inverno e il minimo in estate. La media della precipitazione totale annua in Italia è di 970 mm, compresa tra 500 e 1000 mm lungo una buona parte delle coste, nella Valle Padana e nelle isole, e tra i 1000 e i 1500 mm nelle Alpi, negli Appennini e in alcuni massicci montuosi isolati, sale a oltre 1500 mm sulle Prealpi,, nelle Alpi e in alcune altre aree montuose (Moisello,, 1999).

8 Le precipitazioni meteoriche Curva cumulata delle precipitazioni annue della serie pluviometrica ultracentenaria ( ) di Moncalieri, Precipitazione media annua di 743,9 mm (Di Napoli e Mercalli, 1996).

9 Le precipitazioni meteoriche 3000 Altezza di precipitazione [mm] Media dei valori annuali = 1290,9 mm Anno Precipitazione annua della serie pluviometrica di Genova Università nel periodo La media dei valori annui è pari a 1291 mm (Flocchini et alii, 1982).

10 Le precipitazioni meteoriche Numero di eventi, altezza di precipitazione, durata e intensità media al variare dell intervallo di tempo secco tra eventi IET al pluviografo di Cascina Scala (Pavia) nel 1997 IET [ore] N eventi Altezza totale di precipitazione [mm] Durata di pioggia annua [ore] Intensità media [mm/ora] ,0 813,4 823,8 336,8 470,3 541,8 2,38 1,73 1,52

11 Le precipitazioni meteoriche Precipitazioni di massima intensità al pluviografo di Cascina Scala (Pavia) nel 1997 Intervallo 1 minuto 2 minuti 5 minuti 10 minuti 15 minuti 30 minuti mm data mm data mm data mm data mm data mm data 1,5 16/06 2,9 16/06 5,5 16/06 8,8 16/06 9,6 16/06 10,7 16/06 1,4 19/06 2,8 19/06 5,7 19/06 7,5 19/06 8,2 19/06 13,2 19/06 2,0 28/06 3,2 28/06 5,7 28/06 9,2 28/06 10,7 28/06 14,7 28/06 2,7 04/07 4,3 04/07 8,0 04/07 9,3 04/07 12,8 04/07 13,6 04/07 2,4 17/07 4,5 17/07 10,2 17/07 18,0 17/07 24,5 17/07 31,8 17/07 1,5 17/08 2,8 17/08 5,6 17/08 10,1 17/08 13,9 17/08 19,6 17/08 Intervallo 45 minuti 60 minuti 120 minuti 180 minuti 360 minuti 720 minuti mm data mm data mm data mm data mm data mm data 17,9 19/06 20,9 19/06 35,6 19/06 52,9 19/06 67,8 19/06 36,7 01/06 13,1 26/06 14,0 26/06 16,4 28/06 36,6 17/07 56,0 17/07 73,6 19/06 15,1 28/06 15,3 28/06 36,6 17/07 40,3 17/08 41,0 17/08 56,2 17/07 13,6 04/07 13,6 04/07 33,2 17/08 18,9 06/10 22,9 21/10 41,2 17/08 34,8 17/07 36,5 17/07 17,8 06/10 20,5 11/11 25,2 11/11 40,5 02/12 21,9 17/08 23,5 17/08 15,9 11/11 17,1 02/12 24,6 02/12 39,1 18/12

12 Le precipitazioni meteoriche Intensità massima di pioggia per T= 10 anni a Pavia intensità (mm/h) durata (minuti)

13 Coefficienti udometrici (T=10 anni) Modello dell invaso lineare Pluviometria di Pavia K [minuti] φ ,7 182,5 161,1 146,8 87,7 52,3 0,5 130,4 115,1 104,9 62,6 37,4 0,3 78,2 69,0 62,9 37,6 22,4

14 TUTELA IDRAULICA DEI RICETTORI Superamento delle criticità attuali Valori orientativi del volume da assegnare alla vasca di laminazione Se la laminazione deve contenere le portate massime uscenti entro valori dell ordine di 2040 l/sha imp, il volume specifico deve essere dell ordine di m 3 /ha imp dipendentemente dal tempo di corrivazione del sistema bacinorete e del tempo di ritorno dell evento che si considera.

15 Qualità delle acque meteoriche di dilavamento Sistema fognario pluviale Scaricatore di piena di sistema fognario unitario Autostrade Tetti Cunette stradali Zona residenziale Zona commerciale Industrie Scarico in acque superficiali: acque reflue urbane Scarico in acque superficiali: acque reflue industriali Scarico sul suolo CONCENTRAZIONE MEDIA PER EVENTO (mg/l) SS T BOD 5 COD NH 4 Pb ,24,6 0,033, ,94,9 0,152, ,022,1 0, ,43,8 2, ,71,4 0,0010, ,33,3 0,060, ,035,1 0,090, ,21,1 0,10,4 Limiti fissati dal D. Lgs. 152/ , ,1

16 Qualità delle acque meteoriche di dilavamento Campo di variabilità dei parametri qualitativi dei campioni prelevati in tempo di pioggia nei sistemi fognari di Cascina Scala (23 eventi) e Picchianti (14 eventi) Parametro Cond. specifica [µs/cm] COD [m SS T [m EMC SS T [m N TOT [m NH 4 [m P TOT [m Sistema unitario di Cascina Scala Valore Valore minimo massimo ,51 128,6 0,45 39,6 0,22 26,9 Sistema pluviale di Picchianti Valore Valore minimo massimo < < < 5 10,6 < 0,5 2,0 < 0,5 6,6

17 Qualità delle acque meteoriche di dilavamento Sintesi dei risultati ottenuti su diversi siti sperimentali a Genova (Gnecco et al., 2005) AUTODEMOLITORE STAZIONE DI SERVIZIO VILLA CAMBIASO mean max min mean max min mean max min SST[mg/L] COD[mg/L] Cu [μg/l] 63,8 113,2 7,2 78,1 134,8 46,9 19,4 53,3 0,1 Pb [μg/l] 29,6 70,7 1,9 2,8 4,1 1,9 13,2 23,3 6,1 Zn [μg/l] 283,8 503,6 76,1 378,4 582,3 169,9 81,1 123,4 27,7 Cr [μg/l] 5,9 16,9 0,8 Ni [μg/l] 24,8 58,0 7,7 Cd [μg/l] 0,5 0,8 0,4

18 Qualità delle acque meteoriche di dilavamento Area di pertinenza autostradale presso il casello di Cremona (Papiri e Todeschini) Evento b e [hh:mm] Durata [min] h [mm] i max [mm/min] V/A [mm] φ Q max [l/s] TSA [h] N. campioni 22/08/07 20: ,8 0,2 7,4 0,84 4, /08/07 23: ,6 0,6 5,35 0,70 14, /09/07 10: ,6 1,6 21,9 0,82 30, /09/07 15: ,8 1,6 18,03 0,87 36, /09/07 17: ,6 0,2 3,02 0,84 4, /09/07 21: ,8 0,2 7,75 0,88 2,6 3 24/10/07 5: ,6 0,1 5,32 0,70 2, /11/07 10: ,8 0,05 2,65 0,70 1, /01/08 9: ,4 0,007 0,89 0,64 0, /03/08 20:03 24

19 Tab3 Tab3 c.i.s. c.i.s. Limiti Limiti 152/ / Tab4 Tab4 suolo suolo 30/01/ /01/ /11/ /11/ /10/ /10/ /09/ /09/ ,1 10, ,1 10,1 9,8 9,8 4,8 4,8 7,4 7,4 Ni Ni [µg/l ,5 8, ,9 15,9 2,9 2,9 7,5 7,5 Cr Cr [µg/l Cu Cu [µg/l Fe Fe [µg/l Zn Zn [µg/l Al Al [µg/l ,9 19,9 31,8 31, ,8 18, Pb Pb [µg/l COD COD [m [m ,9 20, ,4 46, ,5 62,5 TSS TSS [m [m Max Max Min Min EMC EMC Max Max Min Min EMC EMC Max Max Min Min EM EM C Max Max Min Min EMC EMC Area di pertinenza autostradale presso il casello di Cremona Area di pertinenza autostradale presso il casello di Cremona (Papiri e Todeschini) (Papiri e Todeschini)

20 Qualità delle acque meteoriche di dilavamento h = 6,4 mm max = 0,5 mm/min min TSA = 1 d i max Bacino produttivo del Bivio Vela di Pavia (Papiri e Todeschini) Q [l/s] Evento 15/05/2007 SST COD Concentrazioni [m Tempo [min] 0 Q [l/s] Pb Zn Ni 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Concentrazioni [m Tempo [min] 0

21 Dinamica degli inquinanti nei sistemi fognari in tempo di pioggia Cascina Scala Evento 11/04/2003 Concentrazione SST [m COD [m BOD5 [m HC [m Set S [ml/l] TN [m AN [m P [m Pb [µ Zn [µ Portata [l/s] Tempo [minuti] 0 La maggior quantità di carico inquinante transita in fognatura durante la prima parte dell evento evento piovoso

22 Dinamica degli inquinanti nei sistemi fognari in tempo di pioggia Parametri Cascina Scala Evento 31/07/2003 Inquinanti disciolti e adesi nella prima frazione dell evento evento Conc. sul tal quale [m Conc. matrice liquida [%] Conc. matrice solida [%] Conc. sul tal quale [m Conc. matrice liquida [%] Conc. matrice solida [%] Conc. sul tal quale [m Conc. matrice liquida [%] Conc. matrice solida [%] Campioni 12 Campioni 34 Campioni 56 COD BOD Fosforo 11, , , Piombo 0, , , Zinco 0, , ,

23 PARAMETRO CAMPIONI FRAZIONE LIQUIDA Sedimentabile FRAZIONE SOLIDA Non sedimentabile Conc. [m Conc. [m % Conc. [m % Conc. [m % Pb [μg/l[ 24 < ,2 <5 Hg [μg/l[ 54,48 0,20 0,4 52,38 96,1 1,90 3,5 Cu [μg/l[ , , ,5 Zn [μg/l[ , ,9 24 4,6 Pb [μg/l[ 20 < <5 Hg [μg/l[ Cu [μg/l[ , , ,6 Zn [μg/l[ ,7 52 9,4 16 2,9 Pb [μg/l[ 15 < ,7 <5 Hg [μg/l[ Cu [μg/l[ , , ,7 Zn [μg/l[ ,7 35 6,4 5 0,9 Pb [μg/l[ 34 < ,3 <5 Hg [μg/l[ 2,23 0,96 43,1 0,77 34,5 0,50 22,4 Cu [μg/l[ , , ,3 Zn [μg/l[ , ,2 15 2,5 Pb [μg/l[ 17 < ,6 <5 Hg [μg/l[ Cu [μg/l[ , , ,1 Zn [μg/l[ ,6 49 8,8 3 0,6 Pb [μg/l[ 16 < ,6 <5 Hg [μg/l[ 1,64 0,27 16,5 0,23 14,0 1,14 69,5 Cu [μg/l[ , , ,9 Zn [μg/l[ ,8 28 5,2 11 2,0

24 Cascina Scala 281 campioni prelevati BOD 5 [m BOD 5 = 0,512 SST R = 0, SST [m 2800 BOD 5 [m TmTSA 312 C TmTSA 1826 C BOD 5 = 0,639 SST R = 0,90 BOD 5 = 0,400 SST R = 0, SST [m

25 Area industriale commerciale a Bologna (Artina et al.,2005) 0,900 Correlazione fra SST e Zn Zn (mg/l) 0,600 0,300 Zn Evento 5 Zn Evento 4 Zn Evento 3 Zn Evento 2 Zn Evento 1 0,000 0, SST (mg/l) Correlazione fra SST e Cu 0,080 Cu (mg/l) 0,060 0,040 0,020 Cu Evento 5 Cu Evento 4 Cu Evento 3 Cu Evento 2 Cu Evento 1 0, SST (mg/l)

26 Fenomeno del first flush Cascina Scala 23 eventi SS/SSTOT 0,75 0,5 0,25 SS/SSTOT 0,75 0,5 0, ,25 0,5 0,75 1 V/VTOT 0 0,25 0,5 0,75 1 V/VTOT

27 Fenomeno del first flush 100 Cascina Scala 90 Normalized Cumulative Mass Normalized Cumulative Flow SS COD BOD5 TN P Pb Zn 45 line

28 Fenomeno del first flush Area di pertinenza autostradale presso il casello di Cremona (Papiri e Todeschini) Evento 24/10/2007 M/MTOT 1 0,75 0,5 0,25 0 SST COD Pb Al Zn Fe Cu 0 0,25 0,5 0,75 1 V/VTOT

29 Fenomeno del first flush Area industriale commerciale a Bologna (Artina( et al., 2005) 1,0 Curve M(V) per SST 1,0 Curve M(V) per COD 1,0 Curve M(V) per Cu 0,8 0,8 0,8 Mcum/Mtot 0,6 0,4 0,2 0,0 SST 28/05 SST 13/06 SST 24/07 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Vcum/Vtot Mcum/Mtot 0,6 0,4 0,2 0,0 COD 2805 COD 1306 COD ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Vcum/Vtot Mcum/Mtot 0,6 0,4 0,2 0,0 Cu 28/05 Cu 13/06 Cu 24/07 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Vcum/Vtot

30 Fenomeno del first flush Il first flush non si manifesta in maniera generalizzata in tutti i bacini, per tutti gli eventi e per tutti gli inquinanti. In generale, questo fenomeno si verifica con più evidenza in bacini di piccola estensione, in occasione di piogge di forte intensità e soprattutto per gli inquinanti legati ai solidi sospesi totali e per l inquinamento batterico.

31 La vasca di prima pioggia del Bivio Vela (Pavia) Evento del 22/01/2007 Volume sedimenti = 4,99 m 3 Inizio [ora:minuto] Altezza [mm] Durata [minuti] TSA [giorni] I max 15 [mm/min min] 21:24 26, ,0 2,85 0,45 0,4 Intensità [mm/min] 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Tempo [min.]

32 La vasca di prima pioggia del Bivio Vela (Pavia) Caratterizzazione dei sedimenti Umidità: ~ 86% Campione 2 Densità del campione umido: ~ 1100 [kg/m 3 ] Contenuto di sostanza organica: ~30% Composizione mineralogica: quarzi, feldspati e una piccola percentuale di miche VAGLIATURA AREOMETRIA Normativa A.S.T.M. D < 0,038 mm 94% % < 0,038 mm 88,2% < 0,038 mm 84,6% Campione 1 Campione 2 Campione 3 0,001 0,01 0, Dimensione grani [mm] % Campione 1 Campione 2 Campione 3 0,001 0,01 0,1 Dimensione grani [mm]

33 Tutela qualitativa dei ricettori Superamento delle criticità attuali La maggior parte della massa di inquinanti veicolata dalle acque meteoriche di dilavamento è normalmente associata alla prima frazione dell idrogramma di piena. La separazione delle reti fognarie non produce, da sola, alcun effetto benefico; in assenza di misure strutturali e non strutturali adeguate peggiora l impatto ambientale.

34 Superamento delle criticità attuali Per conseguire l obiettivo di un buon livello di protezione idraulica e ambientale del territorio sono essenziali: un attenta pianificazione urbanistica per ridurre le portate circolanti nelle reti di drenaggio; una corretta gestione delle acque meteoriche circolanti nelle reti di drenaggio; una corretta progettazione e gestione degli impianti di trattamento delle acque reflue. In sede di pianificazione urbanistica bisogna: minimizzare l impermeabilizzazione del bacino; prevedere, ove possibile, una raccolta separata delle acque meteoriche non suscettibili di apprezzabile contaminazione e il loro smaltimento in loco tramite sistemi di infiltrazione nel suolo.

35 La gestione delle acque meteoriche di dilavamento defluenti nelle reti fognarie Mezzi decisivi per il controllo quantitativo e qualitativo degli scarichi: gli invasi (in rete e fuori rete) e la gestione in tempo reale dei sistemi di drenaggio urbano. Gli invasi, opportunamente dimensionati, permettono di conseguire sia l obiettivo di protezione idraulica, sia l obiettivo di protezione ambientale: le vasche volano (o di laminazione) consentono di contenere la portata in uscita entro il valore massimo accettabile nel ricettore per il più critico evento meteorico di assegnato tempo di ritorno (protezione idraulica); le vasche di prima pioggia consentono di intercettare ed escludere dallo scarico una notevole percentuale degli inquinanti veicolati dalle acque meteoriche (protezione ambientale).

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