16/03/2017. Maurizio Giugni I sistemi di drenaggio urbano. Schema del sistema idrico urbano. Lezione n. Parole chiave: Reti di drenaggio

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1 Maurizio Giugni I sistemi di drenaggio urbano 18 Lezione n. Parole chiave: Reti di drenaggio Corso di Laurea: Ambiente e Territorio Insegnamento: Infrastrutture Idrauliche Docente: giugni@unina.it A.A Schema del sistema idrico urbano 1

2 Sistemi di drenaggio urbano Un sistema di drenaggio urbano è costituito dalle opere di raccolta e immissione delle acque meteoriche e reflue nei collettori stradali, dalla rete di drenaggio propriamente detta, dagli eventuali manufatti di controllo idraulico ed ambientale. Lo smaltimento delle acque usate e delle acque meteoriche può dar luogo a notevoli alterazioni qualitative dei corsi d acqua di recapito, con conseguenze che non possono essere più considerate accettabili in relazione ad adeguati standard ambientali. Quindi l analisi di un sistema di drenaggio urbano deve prendere in esame: il sistema di fognatura, destinato alla raccolta, all allontanamento e allo smaltimento delle acque reflue e meteoriche l impianto di depurazione, adibito alla depurazione delle acque reflue e di parte di quelle meteoriche, prima di avviarle al recapito finale i corpi idrici di recapito (o ricettori), che ricevono le acque scaricate e ne subiscono l impatto. Sistemi di drenaggio urbano Per rete di fognatura si intende il complesso di canalizzazioni, generalmente sotterranee, atte a raccogliere e allontanare da un complesso urbano le acque superficiali (meteoriche, di lavaggio, ecc.) e quelle reflue provenienti dalle attività umane in genere. Una rete è articolata in tronchi tra loro connessi, nei quali il percorso che le acque devono compiere è definito per quello che riguarda la direzione e il verso. Le canalizzazioni funzionano in genere a pelo libero; in casi particolari, e sempre per tratti di breve lunghezza, il loro funzionamento può essere in pressione (ad esempio condotte di mandata in stazioni di sollevamento, attraversamenti in sifone, ecc.). Obiettivi del sistema sono: - assicurare e regolare il drenaggio delle acque meteoriche delle aree urbane e il loro convogliamento verso i corpi idrici ricettori superficiali in coerenza con il parallelo funzionamento idraulico degli stessi, con ciò eliminando i danni a cose e persone nel caso di eventi di intensità inferiore a un assegnato livello di rischio e comunque riducendoli nel caso di eventi d intensità superiore - convogliare verso gli impianti di depurazione tutte le acque reflue da assoggettare a trattamento in funzione degli obiettivi di qualità dei ricettori definiti nei Piani di Tutela delle Acque redatti ai sensi del D.Lgs. 152/06 e successive modifiche ed integrazioni 2

3 Sistemi di drenaggio urbano Dal punto di vista puramente tecnico, il progetto di una rete di fognatura si articola nella seguente serie di operazioni: a) Necessità dell intervento e obiettivi della progettazione b) Analisi dell assetto territoriale: normative di riferimento, piani urbanistici, popolazione, industrie, parchi, piani di risanamento delle acque, sistemi di smaltimento esistenti, caratteristiche dei terreni (geologiche ed uso del suolo), altre reti in esercizio (acquedotto, elettricità, gas, telecomunicazioni) c) Analisi delle condizioni di recapito: ubicazione e caratteristiche degli impianti di depurazione, punti di scarico, condizioni dei ricettori (stabilità dell alveo, portate, livelli idrici, qualità e uso dell acqua) d) Scelta del sistema di fognatura (unitario o separato) e) Tracciato della rete e ubicazione dei manufatti speciali f) Valutazione delle portate di tempo asciutto g) Analisi delle piogge intense e valutazione delle portate meteoriche h) Valutazione dei carichi inquinanti di tempo asciutto e tempo di pioggia i) Calcolo degli spechi j) Dimensionamento dei manufatti ordinari e speciali e delle apparecchiature k) Definizione dei criteri gestionali Sistemi di drenaggio urbano Delibera Ministero LL.PP. del 04/02/1977 Allegato 4 Norme tecniche generali per la regolamentazione dell installazione e dell esercizio degli impianti di fognatura e depurazione L Ente gestore della fognatura deve predisporre un idoneo programma di interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria della rete di fognatura. Tale programma deve, in particolare, definire gli intervalli di tempo entro i quali effettuare le normali operazioni di spurgo della rete, nonché le verifiche concernenti sia le condizioni statiche dei manufatti che lo stato di usura dei rivestimenti. 3

4 Sistemi di drenaggio urbano Principale normativa di riferimento Componenti del sistema Componenti del sistema Fogne: canalizzazioni elementari che raccolgono le acque provenienti da fognoli di allacciamento e/o da caditoie Collettori: canalizzazioni che costituiscono l'ossatura principale della rete, che raccolgono le acque provenienti dalle fogne e, allorché conveniente, quelle ad essi direttamente addotte da fognoli e/o caditoie Emissario: il canale che, partendo dal termine della rete vera e propria, adduce le acque raccolte al recapito finale Recapito finale: il recipiente (fiume, torrente, alveo, inghiottitoio, lago, mare, ecc.) dove le acque vengono definitivamente versate previo adeguato trattamento Impianto di depurazione: l'insieme delle unità operatrici destinate a trattare le acque 4

5 Sistemi unitari e separati SISTEMI UNITARI E SEPARATI Esistono due tipi di sistemi fognari: a) il sistema unitario (impropriamente detto anche misto), che raccoglie nella medesima canalizzazione sia le acque reflue (di tempo asciutto) che quelle meteoriche: in tempo di pioggia le due acque ovviamente si mescolano; b) il sistema separato, che colletta le acque reflue e quelle meteoriche in due reti distinte: - la rete sanitaria, o nera, o fecale, che raccoglie le acque reflue (di tempo asciutto); - la rete pluviale, o bianca, che colletta le acque meteoriche. La scelta del tipo di sistema costituisce una delle prime decisioni da prendere in fase di progettazione. È una scelta delicata, in quanto da essa dipende in larga misura il successo dell opera. Ove per particolari condizioni locali risulti conveniente, un centro urbano può ovviamente venire servito in parte con sistema misto e in parte con sistema separato. Sistemi unitari e separati 5

6 Sistemi unitari e separati Schemi di rete unitaria e separata con manufatto ripartitore (scaricatore) (Tratto da CSDU Centro Studi Deflussi Urbani, Sistemi di fognatura. Manuale di progettazione, Hoepli) Sistemi unitari e separati (a) Nei sistemi unitari o misti la rete è dotata di scaricatori di piena che scaricano verso i ricettori le portate pluviali di punta e derivano verso la depurazione una portata pari, in tempo di pioggia, ad un multiplo 3 5 della portata nera media di tempo asciutto del giorno di maggior consumo. (b) Con successivi interventi gli scaricatori di piena più importanti possono essere completati con vasche di pioggia, in linea o fuori linea, atte a trattenere le acque meteoriche più inquinate (di solito commisurate a mm di pioggia, equivalenti a m 3 /ha imp ). L aggiunta delle vasche di pioggia non implica alcuna necessità di modificare né la rete né l impianto di depurazione. 6

7 Sistemi unitari e separati Nei sistemi separati tradizionali: a) la rete nera convoglia i reflui verso l impianto di depurazione e la rete pluviale convoglia le acque meteoriche ai punti di scarico nei ricettori. b) il sistema può essere migliorato inserendo nella rete pluviale gli scaricatori di piena atti a sfiorare verso i ricettori le portata pluviali di punta e a convogliare verso la depurazione una portata di acque di prima pioggia ( 1 lt/s/ha imp ) c) in successivi interventi gli scaricatori di piena più importanti possono essere completati con vasche di prima pioggia atte a trattenere le acque pluviali più inquinate (di solito commisurate a mm di pioggia, equivalenti a m 3 /ha imp ) Sistemi unitari e separati Per una migliore comprensione dei criteri di scelta del sistema, va tenuto presente quanto segue: a) in caso di piogge intense le portate meteoriche di un bacino urbano sono notevolmente più elevate delle portate di tempo asciutto: il rapporto può raggiungere valori dell ordine del centinaio; b) anche le acque meteoriche sono inquinate, in quanto dilavano le superfici urbane (strade e tetti), caricandosi di sostanze inorganiche e organiche, con concentrazioni che possono attingere valori paragonabili a quelli dei liquami; c) sono inquinate in particolare le cosiddette acque di prima pioggia; d) non è possibile addurre totalmente le portate meteoriche agli impianti di depurazione, dal momento che: - dimensionare i depuratori per le punte pluviali sarebbe eccessivamente costoso - i trattamenti biologici usati per i liquami sono incompatibili con la forte intermittenza degli apporti meteorici - un depuratore che subisse un elevato sovraccarico idraulico in tempo di pioggia andrebbe rapidamente fuori servizio e) occorre prevedere un trattamento depurativo per le acque di prima pioggia, utilizzando per la separazione appositi dispositivi (scaricatori di piena, vasche di prima pioggia); f) è opportuno evitare per quanto possibile il sollevamento delle acque meteoriche, in quanto esso richiede elevati costi d installazione per condizioni di funzionamento non frequenti. 7

8 Sistemi unitari e separati In tempo di pioggia, quindi, le reti unitarie - mediante appositi manufatti, detti scaricatori di piena - scolmano gran parte della portata prima dell ingresso all impianto di depurazione, avviandola al recapito finale senza trattamento. Va, altresì, tenuto presente che possono trovare accesso alla fognatura, anche in tempo asciutto, acque di falda (dette anche acque parassite) che, se in grande quantità e non previste, possono dar luogo al funzionamento degli scaricatori anche in tempo asciutto. Dal punto di vista ambientale sono preferibili i sistemi separati, i quali, almeno in teoria, non scaricano nei ricettori liquame non trattato. Purtroppo non è facile assicurare una corretta separazione delle acque meteoriche dai liquami, in quanto non sempre si riescono a evitare collegamenti impropri tra le due reti, a causa: a) dell allaccio illegale di scarichi di liquame alla rete pluviale, che provocano il rilascio continuo di liquame non trattato nei ricettori; b) dell allaccio di scarichi pluviali alla rete sanitaria, con la conseguenza di: - ammettere al depuratore acque meteoriche in eccesso, compromettendo il funzionamento del sistema di depurazione; - sovraccaricare, talvolta in modo notevole, la rete sanitaria, con conseguente pressurizzazione e fuoriuscita di liquame. Sistemi unitari e separati Criteri di scelta La scelta del sistema di fognatura, unitario o separato, è legata a criteri tecnici, economici e ambientali. Per quanto riguarda l aspetto economico, indubbiamente un sistema separato è nettamente più oneroso di uno unitario, perché: - dati i notevoli valori delle portate meteoriche, gli spechi della rete pluviale separata devono avere grosso modo le stesse dimensioni di quelli della rete unitaria, con costi molto simili; - per consentire l intersezione delle reti, la rete sanitaria separata deve essere disposta a profondità maggiore di quella pluviale, con più elevati costi di scavo; - aumenta ovviamente in modo notevole il numero degli allacciamenti e delle opere d arte da realizzare. In qualche caso, però, il sistema separato può risultare più economico di quello unitario: nei piccoli centri urbani, conformati in modo che la rete pluviale possa ridursi a pochi tronchi che trovano immediato recapito in colatori naturali fuori del centro urbano stesso; nelle zone pianeggianti, con pochi punti di recapito, in cui la necessità di mantenere pendenze sufficienti al deflusso dei liquami in tempo asciutto impone l inserimento di numerosi sollevamenti: l adozione di un sistema separato può consentire di sollevare soltanto le acque reflue, assegnando pendenze minori per la rete pluviale. 8

9 Sistemi unitari e separati Per quanto riguarda l aspetto tecnico e ambientale, gli argomenti a favore del sistema separato sono relativi essenzialmente ai temi ambientali. Tuttavia è opportuno tenere presente quanto segue: a) il sistema separato deve essere evitato se non v è assoluta garanzia che siano rigorosamente assicurati: - la separazione degli scarichi pluviali e sanitari di ciascuna abitazione; - il collegamento di ciascuno scarico con la rete di competenza. Se tale garanzia non esiste, il sistema separato risulta molto più inquinante di quello unitario, perché i liquami immessi nella rete pluviale vengono scaricati anche in tempo asciutto; b) dato che le acque pluviali sono esse stesse notevolmente inquinate (almeno quelle di prima pioggia), il beneficio ambientale di un sistema separato, anche se correttamente funzionante, è comunque funzione anche dell efficienza degli scaricatori di piena. Nelle zone rurali, infine, in cui lo smaltimento delle acque pluviali in genere avviene tramite il reticolo idrografico naturale o tramite il sistema di smaltimento agricolo, costituito da scoline e fossi, la fognatura ha quasi soltanto la funzione di raccolta delle acque reflue, per cui l adozione del sistema separato è di rigore. Livelli minimi dei servizi LIVELLI MINIMI DEI SERVIZI DPCM 04/03/1996 Disposizioni in materia di risorse idriche - Fognature miste: limite coefficiente di diluizione R 3 Q mn - Fognatura separata: nelle zone di nuova urbanizzazione e nei rifacimenti di quelle preesistenti si deve di norma ricorrere a tale sistema, salvo ragioni tecniche, economiche ed ambientali contrarie - Acque di prima pioggia alla rete nera - Grigliatura e disoleazione delle acque bianche (TR=1anno) - Immissione in rete nera o mista con pozzetti sifonati e aerati - Servire a gravità le utenze poste a 0.5 m sotto il piano stradale - Fognatura nera dimensionata sulla portata di punta dell acquedotto oltre alla portata delle acque di prima pioggia - Le reti di fognatura bianca o mista devono essere dimensionate e gestite in modo da garantire che fenomeni di rigurgito non interessino il piano stradale o le immissioni di scarichi neri con frequenza superiore ad una volta ogni 5 anni per ogni singola rete 9

10 Livelli minimi dei servizi La scelta del coefficiente di diluizione R da adottare nel progetto dello scaricatore di piena fu demandata dalla Legge 319/76 (Legge Merli) - abrogata dal D.L. 152/99 e successivo D.L. 258/2000 alle Regioni (BURC n. 10 febbraio 1983 R = 5). Piano di tutela delle acque della Regione Campania Del. G.R. n. 46 del 20/08/07 Le acque di prima pioggia dovranno essere accumulate in vasche a perfetta tenuta stagna; al termine dell evento meteorico, dovranno essere inviate all impianto di depurazione. Inoltre, le Vasche di Prima Pioggia, per sistemi fognari, sia unitari sia separati, andranno commisurate di norma ad un volume pari a 25 m 3 /ha imp. Le vasche di prima pioggia dovranno essere previste sia in corrispondenza di tutti gli scaricatori di piena, sia presso lo scaricatore in testa all impianto di depurazione. Tracciato DRENAGGIO URBANO E RETICOLO IDROGRAFICO Ragioni di economia e di funzionalità fanno sì che il tracciato ottimale dei collettori principali di una rete di fognatura segua in larga misura gli impluvi naturali, a meno che l impatto antropico sul tessuto urbano non abbia talmente stravolto la topografia originaria da rendere ciò impossibile. Questo, però, non significa che i colatori naturali esistenti debbano essere trasformati in collettori. I canali sotterranei sono molto più costosi dei canali all aperto, e in generale non conviene immettervi acque provenienti dall esterno dell area urbana. È opportuno, quindi, deviare le acque pluviali provenienti dalle zone rurali circostanti, smaltendole più economicamente con un sistema indipendente di canali aperti, senza attraversare l area urbana. La struttura della rete di drenaggio urbano dipende, quindi, essenzialmente dalla struttura urbanistica dell'abitato e dalla conformazione e composizione del terreno. I principali tipi di rete sono: - perpendicolare (a pettine) - a collettori paralleli - a ventaglio - radiale - a terrazzi 10

11 Problematiche idrauliche Limiti di velocità Il dimensionamento idraulico di una rete di fognatura va sviluppato tenendo conto delle velocità limite ammesse (minime e massime), così come prescritto dalla Circolare del Ministero LL.PP. ( ). VELOCITA MINIMA La velocità relativa alla portata fecale media per fognature unitarie e per fognature nere non dovrà di norma essere inferiore a 0.50 m/s, al fine di evitare l'instaurarsi di condizioni favorevoli alla sedimentazione delle sostanze trasportate. L accumulo di sostanze sedimentate, infatti, può ridurre la sezione idrica, fino all occlusione pressoché totale della fogna, se i depositi con il tempo si consolidano, diventando difficilmente asportabili. Inoltre i depositi sono generalmente putrescibili, e danno luogo allo sviluppo di gas maleodoranti o addirittura tossici (H 2 S) o infiammabili (CH 4 ). VELOCITA MASSIMA La velocità relativa alla portata di punta non dovrà di norma essere superiore a 4 m/s (fogne unitarie) e a 5 m/s (fogne bianche), per limitare il degrado dovuto all azione meccanica dell acqua e del materiale solido trascinato dalla corrente. 11

12 Portata fecale media La portata media delle acque reflue Q fm può espressa in funzione della popolazione P e della dotazione idrica d (l/ab g) mediante la relazione: Q fm d P in cui ε costituisce il coefficiente di dispersione (in genere assunto pari a 0.80), ovvero la frazione complessiva dell acqua d approvvigionamento che non raggiunge la rete fognaria. Anche l andamento temporale della portata nera dipende da quello dei consumi idrici, ma rispetto a questo presenta: - uno sfalsamento temporale, dovuto al tempo impiegato dall acqua per scorrere dall utenza alla fogna considerata; - variazioni meno accentuate, sia perché le fogne, essendo a superficie libera, hanno comunque un certo potere moderatore quando le portate sono variabili, sia soprattutto perché i contributi di zone poste a distanze differenti arrivano sfalsati nel tempo, in modo che i rispettivi minimi e massimi non si sommano. Si indica con il coefficiente di punta C p il rapporto tra la portata di punta Q fp e la media Q fm : C p 20 P 0.20 Portata fecale media 12

13 Portata fecale media Tipi di spechi fognari Gradi di riempimento accettabili: - spechi circolari: h/d spechi ovoidali: h/d

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16 Scale di deflusso per speco circolare ed ovoidale Fognatura di Parigi 16

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18 Fognatura di Bruxelles Fognatura di Roma 18

19 Fognatura di Vienna Fognatura di Manhattan 19

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21 IPPOLITO, G., Appunti di Costruzioni Idrauliche, Liguori Editore Materiali di studio AA. VV., Sistemi di fognatura. Manuale di Progettazione, Centro Studi Deflussi Urbani, Hoepli Editore 21