UNIVERSITÀ DI PISA
SCUOLA DI INGEGNERIA
Dipartimento di Ingegneria dell’Energia, dei Sistemi,
del Territorio e delle Costruzioni
Corso di Laurea Magistrale in
Ingegneria Idraulica, dei Trasporti e del Territorio
Tesi di Laurea Magistrale
MONITORAGGIO QUALI-QUANTITATIVO E
MODELLAZIONE NUMERICA DELLE ACQUE
PARASSITE NELLA RETE FOGNARIA DI LIVORNO
Relatori: Candidato:
Prof. Ing. Renato Iannelli Cristina Banchini
Ing. Paolo Roberto Di Palma
1
Indice
Indice delle figure ... 5
Indice delle tabelle ... 10
Indice degli allegati ... 11
Abbreviazioni ... 12
Sommario ... 13
Capitolo 1 Acque parassite ... 15
1.1 Introduzione ... 15
1.2 Metodi di individuazione delle acque parassite ... 18
1.2.1 Metodi di portata ... 19
1.2.1.1 Stima del flusso sanitario di base ... 20
1.2.1.2 Stima dell'infiltrazione ... 21
1.2.1.3 Stima dell'afflusso ... 21
1.2.2 Metodi chimici ... 22
1.2.3 Distributed Temperature Sensing (DTS) ... 23
1.2.4 Smoke Testing ... 25
1.2.5 Dye Testing ... 26
1.2.6 Televisioni a circuito chiuso (CCTV) ... 27
Capitolo 2 Modelli di simulazione delle reti fognarie: SWMM ... 28
2.1 Premessa ... 28
2.2 Il software SWMM ... 28
2
2.4 Processi idrologici ... 33
2.4.1 Caratteristiche delle precipitazioni ... 33
2.4.2 Caratteristiche dei sottobacini ... 34
2.4.3 Calcolo del deflusso superficiale (RUNOFF) ... 36
2.5 Modellazione dei componenti fisici di una rete fognaria in SWMM ... 37
2.6 Modelli idraulici ... 41
2.6.1 Descrizione matematica del modello di calcolo (Dinamic Wave Routing) ... 41
2.6.2 Soluzioni generali per le condotte ... 44
2.6.3 Calcolo delle caratteristiche medie delle condotte... 46
2.6.4 Calcolo dell’area di superficie ... 47
2.6.5 Condizioni di sovraccarico ... 47
2.6.6 Condizioni normali di flusso ... 48
2.6.7 Onda cinematica (Kinematic Wave) ... 49
2.6.8 Deflusso stazionario (Steady Flow) ... 49
2.7 Modello di qualità delle acque ... 49
2.7.1 Fonti inquinanti ... 50
2.7.2 Inquinanti ... 52
2.7.3 Uso del suolo ... 53
2.7.4 Flusso di tempo secco ... 54
2.7.4.1 Stima del flusso medio di tempo secco ... 54
2.7.4.2 Variazioni temporali del flusso di tempo secco ... 55
2.8 Determinazione dei parametri di calibrazione ... 56
2.8.1 Metodi di calibrazione manuale ... 57
2.8.2 Metodi di calibrazione automatizzati ... 58
2.8.3 Metodi di ottimizzazione multi-obiettivo ... 60
2.9 SWMM5-EA ... 62
3
2.9.2 Algoritmi evolutivi ... 64
2.9.3 Schema di principio del codice SWMM5-EA ... 67
Capitolo 3 Il caso di studio: la rete fognaria di Livorno ... 69
3.1 Introduzione ... 69
3.2 Scelta dei punti di misura ... 70
3.3 Materiali e metodi ... 73
3.3.1 Misuratori di portata ... 73
3.3.2 Sonde multiparametriche portatili HI9829 e HI98194 ... 77
3.3.2.1 Specifiche sonde HI9829 e HI98194 ... 78
3.3.2.2 Descrizione dei sensori delle sonde HI9829 e HI98194 ... 81
3.3.2.3 Modalità di calibrazione ... 83
3.3.3 Fotometro da banco multiparametro e COD HI 83099-02 ... 83
3.4 Installazione misuratori di portata e sonde multiparametriche ... 87
3.5 Raccolta ed analisi dei dati ... 90
3.5.1 Dati di portata ... 90
3.5.2 Idrogramma medio di tempo asciutto ... 94
3.5.3 Dati chimico-fisici ... 98
3.5.4 Analisi campioni raccolti in situ ... 105
3.5.5 Dati pluviometrici ... 108
3.6 Monitoraggio quali-quantitativo durante le precipitazioni ... 112
3.7 Correlazione tra dati di portata e parametri chimico-fisici ... 115
Capitolo 4 Modellazione della rete con il software SWMM ... 133
4.1 Geometria della rete ... 133
4
4.3 Modellazione del comportamento della rete in presenza di pioggia ... 138
4.3.1 Calibrazione del modello idraulico tramite procedura trial and error effettuata nella prima fase dello studio ... 138
4.3.2 Calibrazione del modello idraulico tramite SWMM5-EA ... 140
4.3.3 Validazione del modello idraulico calibrato con SWMM5-EA ... 150
4.4 Modello idraulico in presenza di eventi meteorici ... 156
4.5 Modello di qualità delle acque ... 162
4.5.1 Flusso in tempo asciutto nel modello di qualità delle acque ... 162
4.5.2 Prima cacciata inquinata ... 167
4.5.3 Modello di qualità delle acque in presenza di eventi meteorici ... 167
Capitolo 5 Conclusioni e futuri sviluppi ... 170
5
Indice delle figure
Figura 1.1 - Acque parassite che possono interessare il sistema fognario (Masotti et al., 2005). ... 15
Figura 1.2 - Fonti che causano il fenomeno di Inflow/Infiltration. ... 17
Figura 1.3 - L'idrogramma aiuta a visualizzare l'afflusso in risposta al flusso di tempo umido (MassDEP, 1993). ... 20
Figura 1.4 - Distributed Temperature Sensing (DTS)1. ... 23
Figura 1.5 - Esempio dei risultati ottenuti con l’utilizzo della tecnica DTS. É possibile notare i punti in cui è presente un flusso regolare di acqua a temperatura minore (Walters, 2015). ... 24
Figura 1.6 - Esempio di pattern giornaliero della temperatura registrato (Walters, 2015). ... 25
Figura 1.7 - Smoke Testing per la ricerca di potenziali fonti di I/I in un sistema fognario (Beheshti et al., 2015). ... 25
Figura 1.8 - Fuoriuscita del fumo durante lo Smoke Testing (Schwindamann, 2008). ... 26
Figura 1.9 - Colorante all’interno di un pozzetto, tramite il quale è possibile risalire al tragitto del flusso3. ... 26
Figura 1.10 - Telecamera a circuito chiuso sul cingolato auto-propulsore (City of Toledo, 2011). ... 27
Figura 2.1 - Schematizzazione di un’area di drenaggio in SWMM (Rossman, 2015). ... 29
Figura 2.2 - Possibili relazioni tra i blocchi computazionali. ... 31
Figura 2.3 - Schematizzazione di un sottobacino (Rossman et al., 2016). ... 35
Figura 2.4 - Tipologie di superfici all’interno di un sottobacino (Rossman et al., 2016). ... 35
Figura 2.5 - Rappresentazione concettuale del deflusso superficiale (Rossman et al., 2016). ... 36
Figura 2.6 - Esempio di schematizzazione di una rete di drenaggio (Rossman, 2017). ... 38
Figura 2.7 - Schematizzazione nodi-condotte della rete di drenaggio in SWMM... 43
Figura 2.8 - Schematizzazione del problema di rimanere intrappolati in un minimo locale. ... 64
Figura 2.9 – Schema di funzionamento di un algoritmo evolutivo. ... 66
Figura 3.1 - Immagine da satellite del bacino oggetto di studio... 69
Figura 3.2 - Planimetria della fognatura nera fornita da A.S.A. ... 70
Figura 3.3 - Schema della rete suddiviso in condotte principali, secondarie e terziarie. ... 71
Figura 3.4 - Disposizione planimetrica dei punti di misura. ... 72
Figura 3.5 - ISCO 2150 Area Velocity Flow Module. ... 73
Figura 3.6 - Principio di funzionamento delle sonde di tipo area-velocity (Ciaponi et al., 2014). ... 74
Figura 3.7 - Rappresentazione schematica del funzionamento di una sonda area-velocity che sfrutta l’effetto Doppler. ... 75
Figura 3.8 - Sonda area-velocity utilizzata nel caso di studio con anello a molla. ... 76
Figura 3.9 - Sonde multiparametriche portatili HI9829 e HI981946. ... 77
Figura 3.10 - Sensore pH. ... 81
Figura 3.11 - Sensore combinato EC/Torbidità. ... 82
Figura 3.12 - Fotometro da banco multiparametro e COD HI 83099-026. ... 83
6
Figura 3.14 a) e b) - Fissaggio della sonda multiparametrica al palo d’acciaio tramite fascette. ... 88
Figura 3.15 - Posizionamento della sonda orientata verso la direzione di flusso. ... 89
Figura 3.16 - Posizionamento del data logger all’interno del pozzetto. ... 89
Figura 3.17 - Dati di portata giornalieri registrati nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 91
Figura 3.18 - Dati di portata giornalieri registrati nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 92
Figura 3.19 - Dati di portata giornalieri registrati in corso Amedeo. ... 93
Figura 3.20 - Idrogramma medio giornaliero estivo di tempo asciutto nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 95
Figura 3.21 - Idrogramma medio giornaliero estivo di tempo asciutto nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 96
Figura 3.22 - Idrogramma medio giornaliero di tempo asciutto estivo in corso Amedeo. ... 97
Figura 3.23 - Andamento medio giornaliero della temperatura nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 99
Figura 3.24 - Andamento medio giornaliero del pH nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. .... 99
Figura 3.25 - Andamento medio giornaliero della concentrazione di ossigeno disciolto nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 100
Figura 3.26 - Andamento medio giornaliero della conducibilità elettrica nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 100
Figura 3.27 - Andamento medio giornaliero della temperatura nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 101
Figura 3.28 - Andamento medio giornaliero del pH nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 101
Figura 3.29 - Andamento medio giornaliero della concentrazione di ossigeno disciolto nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 102
Figura 3.30 - Andamento medio giornaliero della conducibilità elettrica nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 102
Figura 3.31 - Andamento medio giornaliero della temperatura in corso Amedeo. ... 103
Figura 3.32 - Andamento medio giornaliero del pH in corso Amedeo. ... 103
Figura 3.33 - Andamento medio giornaliero della concentrazione di ossigeno disciolto in corso Amedeo. ... 104
Figura 3.34 - Andamento medio giornaliero della conducibilità elettrica in corso Amedeo. ... 104
Figura 3.35 - Rappresentazione dei risultati dell’analisi dei campioni prelevati nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini... 106
Figura 3.36 - Rappresentazione dei risultati dell’analisi dei campioni prelevati nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 107
Figura 3.37 - Rappresentazione dei risultati dell’analisi dei campioni prelevati in corso Amedeo. ... 107
Figura 3.38 - Posizione dei pluviometri... 108
Figura 3.39 - Dati pluviometrici raccolti nel mese di giugno. ... 109
Figura 3.40 - Dati pluviometrici raccolti nel mese di luglio. ... 109
Figura 3.41 - Precipitazione del 04/07/2018. ... 109
7
Figura 3.43 - Precipitazione del 22/07/2018. ... 110
Figura 3.44 - Dati pluviometrici raccolti nel mese di ottobre. ... 111
Figura 3.45 - Precipitazione del 29/10/2018. ... 111
Figura 3.46 - Precipitazione del 30/10/2018. ... 111
Figura 3.47 – Portata registrata dal 28/10/2018 al 30/10/2018 e relative altezze di pioggia. ... 113
Figura 3.48 - Confronto tra i dati di portata e di temperatura registrati durante l’evento meteorico nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 114
Figura 3.49 - Confronto tra i dati di portata e la concentrazione di TDS registrati durante l’evento meteorico nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 114
Figura 3.50 - Confronto tra i dati di portata e di temperatura registrati durante l’evento meteorico nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 115
Figura 3.51 - Confronto tra la portata media giornaliera e la temperatura nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 116
Figura 3.52 - Confronto tra la portata media giornaliera e il pH nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 116
Figura 3.53 - Confronto tra la portata media giornaliera e la concentrazione di ossigeno disciolto nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 117
Figura 3.54 - Confronto tra la portata media giornaliera e la conducibilità elettrica nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 117
Figura 3.55 - Confronto tra la portata media giornaliera e la temperatura nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 118
Figura 3.56 - Confronto tra la portata media giornaliera e il pH nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 118
Figura 3.57 - Confronto tra la portata media giornaliera e la concentrazione di ossigeno disciolto nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 119
Figura 3.58 - Confronto tra la portata media giornaliera e la conducibilità elettrica nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 119
Figura 3.59 - Confronto tra la portata media giornaliera e la temperatura in corso Amedeo. ... 120
Figura 3.60 - Confronto tra la portata media giornaliera e il pH in corso Amedeo. ... 120
Figura 3.61 - Confronto tra la portata media giornaliera e la concentrazione di ossigeno disciolto in corso Amedeo... 121
Figura 3.62 - Confronto tra la portata media giornaliera e la conducibilità elettrica in corso Amedeo. 121 Figura 3.63 - Confronto tra l’andamento della temperatura registrata nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini e la temperatura media dell’aria di luglio 2018. ... 122
Figura 3.64 - Etichetta di qualità dell’acqua distribuita dal gestore. ... 123
Figura 3.65 - Confronto tra la portata media giornaliera e la temperatura nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini (monitoraggio autunnale). ... 124
Figura 3.66 - Confronto tra la portata media giornaliera e il pH nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini (monitoraggio autunnale). ... 125
8
Figura 3.67 - Confronto tra la portata media giornaliera e la conducibilità elettrica nell’incrocio tra via
delle Navi e via Carlo Bini (monitoraggio autunnale). ... 125
Figura 3.68 - Confronto tra la portata media giornaliera e la temperatura nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi (monitoraggio autunnale). ... 126
Figura 3.69 - Confronto tra la portata media giornaliera e il pH nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi (monitoraggio autunnale). ... 126
Figura 3.70 - Confronto tra la portata media giornaliera e la condicibilità elettrica nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi (monitoraggio autunnale). ... 127
Figura 3.71 - Cross- correlation tra portata media giornaliera e conducibilità. ... 128
Figura 3.72 - Cross- correlation tra portata media giornaliera e concentrazione di ossigeno disciolto. 128 Figura 3.73 - Cross- correlation tra portata media giornaliera e pH. ... 129
Figura 3.74 - Cross- correlation tra portata media giornaliera e temperatura. ... 129
Figura 3.75 - Correlazione positiva polinomiale di secondo grado tra portata media giornaliera e pH nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 130
Figura 3.76 - Correlazione positiva polinomiale di terzo grado tra portata media giornaliera e conducibilità elettrica nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 131
Figura 3.77 - Correlazione positiva polinomiale di secondo grado tra portata media giornaliera e pH nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 131
Figura 3.78 - Correlazione positiva polinomiale di terzo grado tra portata media giornaliera e conducibilità elettrica nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 132
Figura 4.1 - Schema della rete in SWMM. ... 134
Figura 4.2 - Portata media di tempo asciutto in ingresso in ciascun nodo (il termine Average Value corrisponde al coefficiente di utilizzo). ... 136
Figura 4.3 - Confronto tra l’idrogramma simulato e registrato in condizioni di tempo asciutto nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 137
Figura 4.4 - Disposizione conclusiva delle aree drenanti proposta nella prima fase dello studio. ... 139
Figura 4.5 - Interfaccia grafica di SWMM5-EA e principali comandi5. ... 140
Figura 4.6 - Portata e precipitazioni meteoriche registrate nella giornata del 28/06/2017. ... 142
Figura 4.7 - Disposizione delle aree drenanti fittizie nel file SWMM oggetto della calibrazione. ... 144
Figura 4.8 - Immagine da satellite della disposizione delle aree drenanti fittizie e delle condotte individuate al termine della calibrazione. ... 145
Figura 4.9 - Parte del file di testo SWMM riguardante i sottobacini... 146
Figura 4.10 - Finestra di dialogo contente i parametri di progetto impostati nella calibrazione. ... 147
Figura 4.11 - Grafico di convergenza del processo di ottimizzazione. ... 148
Figura 4.12 - Confronto tra l’idrogramma nella sezione di chiusura simulato e registrato nella giornata del 28/06/2017. ... 149
Figura 4.13 - Portate e dati di pioggia registrati nelle giornate del 03/02/2017, 04/02/2017 e 05/02/2017. ... 152
9
Figura 4.15 - Confronto tra l’idrogramma nella sezione di chiusura simulato e registrato nelle giornate del 30/01/2017 e 31/01/2017. ... 154 Figura 4.16 - Confronto tra l’idrogramma nella sezione di chiusura simulato e registrato nelle giornate del 03/02/2017, 04/02/2017 e 05/02/2017. ... 155 Figura 4.17 – Confronto tra l’idrogramma nella sezione di chiusura simulato e registrato nelle giornate del 28/10/2018, 29/10/2018 e 30/10/2018. ... 158 Figura 4.18 – Confronto tra l’idrogramma simulato e registrato nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi nelle giornate del 28/10/2018, 29/10/2018 e 30/10/2018. ... 159 Figura 4.19 – Confronto tra l’idrogramma nella sezione di chiusura simulato e registrato nelle giornate del 28/10/2018, 29/10/2018 e 30/10/2018 ottenuto dimezzando l’area di Villa Maria. ... 160 Figura 4.20 – Confronto tra l’idrogramma simulato e registrato nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi nelle giornate del 28/10/2018, 29/10/2018 e 30/10/2018 ottenuto dimezzando l’area di Villa Maria. ... 161 Figura 4.21 - Pagina Direct dell’Inflows Editor per il modello di qualità. ... 163 Figura 4.22 - Andamento giornaliero medio della concentrazione di TDS in tempo asciutto registrato nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 164 Figura 4.23 - Confronto tra la concentrazione di solidi totali disciolti in tempo secco simulata da SWMM e registrata nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 166 Figura 4.24 - Confronto tra la concentrazione di TDS simulata e registrata nei giorni 28/10/2018, 29/10/2018 e 30/10/2018 nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini... 169
10
Indice delle tabelle
Tabella 2.1 - Proprietà di qualità delle acque reflue domestiche non trattate (Rossman, 2016). ... 55 Tabella 3.1 - Idrogramma medio giornaliero estivo di tempo asciutto nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 95 Tabella 3.2 - Idrogramma medio giornaliero estivo di tempo asciutto nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 96 Tabella 3.3 - Idrogramma medio giornaliero di tempo asciutto estivo in corso Amedeo. ... 97 Tabella 3.4 - Risultati dell’analisi dei campioni prelevati nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 106 Tabella 3.5 - Risultati dell’analisi dei campioni prelevati nell’incrocio tra via Marradi e via Calzabigi. ... 106 Tabella 3.6 - Risultati dell’analisi dei campioni prelevati in corso Amedeo. ... 107 Tabella 4.1 - Valori tipici del coefficiente di scabrezza di Manning [R. McCuen et al., 1996]. ... 143 Tabella 4.2 - Caratteristiche delle aree fittizie drenanti ottenuti tramite la calibrazione col software SWMM5-EA. ... 147 Tabella 4.3 - Pattern giornaliero medio in tempo asciutto utilizzato per la simulazione del 30/01/2017 e 31/01/2017. ... 151 Tabella 4.4 - Pattern giornaliero medio in tempo asciutto utilizzato per la simulazione del 03/02/2017, 04/02/2017 e 05/02/2017. ... 151 Tabella 4.5 - Pattern giornaliero medio in tempo asciutto utilizzato per la simulazione del 28/10/2018, 29/10/2018 e 30/10/2018. ... 157 Tabella 4.6 - Pattern giornaliero medio del carico di TDS in tempo asciutto registrato nell’incrocio tra via delle Navi e via Carlo Bini. ... 165 Tabella 4.7 - Pattern giornaliero medio del carico di TDS in tempo asciutto utilizzato per la simulazione del 28/10/2018, 29/10/2018 e 30/10/2018. ... 16811
Indice degli allegati
ALLEGATO 1……….Coefficienti di utilizzo delle condotte
12
Abbreviazioni
BSF: flusso sanitario di base (Base Sanitary Flow);CCTV: televisione a circuito chiuso (Closed Circuit Television); COD: domanda chimica di ossigeno (Chemical Oxygen Demand); DO: ossigeno disciolto (Dissolved Oxygen);
DTS: sensori di temperatura distribuiti (Distributed Temperature Sensing); DWF: flusso di tempo secco (Dry Weather Flow);
EA: algoritmi evolutivi (Evolutionary Algorithm); EC: conducibilità elettrica (Electrical Conductivity);
GWI: flusso di infiltrazione delle acque sotterranee (Groundwater Infiltration); I/I: afflusso/infiltrazione (Inflow/Infiltration);
ORP: potenziale redox (Oxidation/Reduction Potential); SWMM: Storm Water Management Model;
RDII: afflusso ed infiltrazione derivati da precipitazioni (Rainfall-Derived Inflow and Infiltration);
TDS: solidi totali disciolti (Total Dissolved Solids); TSS: solidi sospesi totali (Total Suspended Solids); WWF: flusso di tempo bagnato (Wet Weather Flow).
13
Sommario
Il fenomeno delle acque parassite (in inglese Inflow & Infiltration, ossia infiltrazione ed afflusso) è costituito da flussi estranei di acque superficiali e sotterranee all’interno del sistema fognario urbano.L’ingresso di acque parassite all’interno della fognatura è un problema critico a lungo termine che causa gravi impatti ambientali, sociali ed economici connessi con la riduzione della capacità e l’aumento del rischio di sovraccarico idraulico della rete fognaria, che può portare a fuoriuscite ed allagamenti. Inoltre, ha impatti negativi sulle prestazioni e sull'efficienza degli impianti di trattamento delle acque reflue e causa un aumento dei costi di pompaggio.
Il presente studio costituisce la seconda fase del progetto di ricerca delle acque parassite all’interno della rete fognaria del comune di Livorno, nato dalla collaborazione tra il gestore della rete A.S.A. S.p.a. e il Dipartimento DESTEC dell’Università di Pisa. Nella fase iniziale dello studio è stata svolta la realizzazione di un modello idraulico della rete di fognatura nera a servizio di una porzione del centro storico di Livorno in grado di simulare l’insorgere delle acque parassite all’interno della rete stessa in tempo di pioggia. Il modello è stato costruito mediante il software EPA SWMM (Storm Water Menagement Model) esaminando i deflussi registrati nella sezione di chiusura del bacino durante una serie di eventi meteorici.
Questa seconda fase dello studio si è concentrata sull’ampliamento del modello numerico precedentemente realizzato.
Nel dettaglio, l’approfondimento dello studio è stato effettuato mediante un’estensione delle campagne di misura della portata nelle sezioni intermedie della rete, affiancate da un monitoraggio chimico-fisico tramite l’utilizzo di sonde multiparametriche.
Inoltre, è stata proposta una differente metodologia di calibrazione del modello idraulico, effettuata nella prima fase del lavoro con una procedura manuale di trial and error, tramite l’utilizzo del software di ottimizzazione delle reti drenaggio SWMM5-EA, il quale impiega un metodo di calcolo basato sugli algoritmi evolutivi.
Successivamente, il modello numerico così calibrato è stato completato con il modulo di qualità delle acque ed è stato analizzato il comportamento della rete durante gli eventi piovosi registrati durante il monitoraggio.
14 Il monitoraggio quali-quantitativo ha confermato la presenza di acque parassite all’interno della rete. Inoltre, è stato possibile osservare come i dati registrati dalla sonda multiparametrica non siano stati significativamente influenzati da fenomeni di flusso in pressione né da fenomeni di deposito, al contrario dei misuratori di portata ad effetto Doppler, i quali sono vulnerabili a tali problematiche. Pertanto, nell’attività di monitoraggio delle acque parassite, i parametri chimico-fisici possono essere utilizzati a supporto delle misurazioni di portata laddove esse siano disturbate da ostruzioni o flusso in pressione.
Il modello numerico ottenuto al termine di questa fase dello studio si è rivelato essere uno strumento di grande utilità per la modellazione delle acque parassite nella fognatura nera all’interno dell’area in esame, i cui risultati hanno permesso di evidenziare i tratti di condotta fonti di eventuali portate parassite, i quali possono così essere oggetto di analisi approfondite da parte dell’ente gestore locale.
15
Capitolo 1
Acque parassite
1.1 Introduzione
Il fenomeno di infiltrazione ed afflusso (in inglese Inflow & Infiltration, I/I) è caratterizzato da acqua estranea che entra non intenzionalmente in sistemi di fognatura sia separati che unitari. Poiché le fognature nere sono progettate solo per acque reflue, I/I è anche chiamato acqua parassita (Masotti et al., 2005). La presenza di acque parassite è uno dei problemi maggiori che affligge le reti di drenaggio urbano.
Figura 1.1 - Acque parassite che possono interessare il sistema fognario (Masotti et al., 2005).
Si distinguono diversi tipi di provenienza delle acque parassite:
a) Sorgenti: è frequente il caso in cui, nel graduale processo di urbanizzazione di un territorio, le acque che sgorgano dalle sorgenti che vengono reperite in zone collinari vengono addotte alla prima fognatura che si incontra.
16
b) Torrenti: caso del tutto analogo; piccoli torrenti che disturbano nel processo di urbanizzazione, invece di essere condottati indipendentemente ad un corpo d’acqua superficiale, in nome del risparmio, vengono convogliati direttamente al sistema fognario.
c) Sfiori di serbatoi dell’acqua potabile: è frequente il caso in cui, specie in zone
ricche di acque di pozzo o di sorgente, queste acque vengono addotte a portata costante ai serbatoi di carico del sistema acquedottistico di distribuzione; quando il serbatoio è pieno, le acque di sfioro vengono addotte al sistema fognario.
d) Sfiori di rogge, gore, canali di bonifica e di irrigazione: si tratta di casi frequenti di interconnessioni, che talora non sono neppure conosciuti e registrati nella loro dinamica, a meno di indagini specifiche approfondite.
e) Acque di raffreddamento e di processo: è frequente il caso di aziende industriali o anche di complessi di abitazione privati dotate di pozzi autonomi per il prelievo di acque da destinare al raffreddamento di processo o al condizionamento dell’aria, che dopo l’uso vengono direttamente riversate in fognatura.
f) Acque di drenaggio: acque provenienti da drenaggi di muri di sostegno, di vespai attorno a cantine e locali bassi, sono sollevate con pompe ed immesse direttamente in fognatura.
g) Acque di falda: i condotti fognari si trovano, permanentemente o stagionalmente, sotto il livello della falda freatica, alimentata dalle piogge o dal livello di corsi d’acqua circostanti. Condotte non a tenuta per effetto di rotture di vario tipo o di cattiva costruzione (soprattutto nella realizzazione dei giunti) ed allacciamenti errati di grondaie e piazzali drenano acqua di falda.
Secondo la terminologia anglosassone, gli apporti di cui al punto “g” sono individuati come Infiltration, traducibile con il termine infiltrazione; essi possono essere più difficili da gestire a causa del fatto che si verificano sottoterra. L'acqua di falda solitamente penetra nel sistema fognario attraverso tubi difettosi, giunti di tubi, connessioni o tombini. Gli apporti di cui agli altri punti vengono indicati col termine di Inflow, traducibile con afflusso, ad indicare l’ingresso diretto in fognatura di portate concentrate di acque estranee (che nel caso di fognature unitarie possono essere acque di piccoli torrenti, di sorgenti, di drenaggi di cantine pompati in fogna, e nel caso di fognature separate, anche di acque di pioggia immesse irregolarmente o abusivamente in tubazione).
17 Inflow & Infiltration (I/I) è il complesso delle acque che sovraccaricano il sistema, che vengono indicate genericamente come acque parassite (Masotti et al., 2005).
L’infiltrazione e l’afflusso mostrano due diversi tipi di comportamento. Poiché l'afflusso è originato da connessioni dirette, esso determina picchi di flusso elevati direttamente correlati agli eventi di pioggia e la risposta del flusso è quasi immediata. Al contrario, l'infiltrazione mostra risposte lente e persistenti nel tempo (Belhadj et al.,1995).
Diversi parametri influenzano l'occorrenza e l'entità del fenomeno di I/I: le condizioni idrogeologiche (caratteristiche del suolo, falda freatica), il materiale delle tubazioni, l’età del sistema fognario e le procedure di manutenzione.
Figura 1.2 - Fonti che causano il fenomeno di Inflow/Infiltration.
Le fonti che causano il fenomeno di I/I sono diverse (Figura 1.2). Le fonti di afflusso sono qualsiasi tipo di connessione diretta tra acqua superficiale e sistema fognario sanitario. Queste includono gli scarichi delle grondaie, gli scarichi di fondazione degli edifici, i tombini non sigillati, i collegamenti errati con la fognatura bianca, ecc. Rispetto alle fonti di afflusso, le fonti di infiltrazione si limitano a qualsiasi intrusione di acque sotterranee attraverso i difetti di tubi e pozzetti (Choi, 2016). In particolare, l'intrusione delle radici all’interno delle tubazioni aggrava il problema dell’infiltrazione. Le acque
18 parassite inducono sovraccarichi idraulici sul sistema fognario e sull’impianto di depurazione terminale, spesso non previsti, con aumento delle spese di sollevamento e di trattamento, e con la necessità di dover sovradimensionare le strutture, con costi molto elevati. Nel caso di sistema separato, dove la fognatura nera è progettata rigorosamente per il trasporto di acque reflue provenienti da scarichi domestici, l’ingresso di acque parassite in fognatura causa una sovrastima della portata nera e un conseguente sovradimensionamento di tutti gli organi della rete. La depurazione finale inoltre dovrà essere in grado di trattare reflui in quantità maggiore e in diluizione più accentuata (Masotti et al., 2005).
1.2 Metodi di individuazione delle acque parassite
Al fine di individuare le acque parassite, risulta evidente la necessità di disporre di informazioni più dettagliate possibile sulla struttura della rete oggetto dell’indagine. Tali informazioni dovranno essere anche attuali e verificate. Inizialmente, è necessario procedere a una ricostruzione a tavolino a partire da tutto il materiale disponibile:
– archivi cartacei; – disegni di contabilità; – foto storiche;
– disegni elettronici; – rilievi.
Nelle zone non coperte si effettua una prima ricognizione sul posto seguita da rilievi di massima o topografici dove necessario. Ricostruita in buona parte la rete si può iniziare a progettare la campagna di misure. Le misure, in numero elevato e in punti sparsi sul territorio, devono essere condotte con strumenti facilmente installabili e semplici nell’utilizzo (Bocus, 2013).
Un certo numero di metodi sono stati sviluppati e applicati per quantificare, rilevare o localizzare l'infiltrazione e l’afflusso nei sistemi fognari e possono essere trovati in varie pubblicazioni (De Bénédittis e Bertrand-Krajewski, 2005; Hey et al., 2016).
19 Essi si possono dividere in:
− metodi di portata, basati sull'analisi di idrogrammi;
− metodi chimici, basati sull'analisi della diluizione degli inquinanti;
− metodi che utilizzano tecnologie quali Smoke Testing, Dye Testing, Distributed Temperature Sensing (DTS) e le televisioni a circuito chiuso (CCTV).
1.2.1 Metodi di portata
Tipicamente, la valutazione del fenomeno di I/I nei sistemi fognari si basa sul metodo convenzionale della misurazione della portata, al fine di differenziare e quantificare le diverse sorgenti di flusso elaborando i dati registrati (Almeida e Brito, 2004; EPA, 2014; De Bénédittis e Bertrand-Krajewski, 2005).
Ci sono tre componenti principali del flusso di acque reflue in un sistema fognario:
− flusso sanitario di base (o acque reflue);
− infiltrazione di acque sotterranee, definite col termine Infiltration;
− afflusso ed infiltrazioni derivate da precipitazioni, comunemente indicati con Inflow (afflusso).
L’insieme degli afflussi e delle infiltrazioni da luogo al fenomeno delle acque parassite (Inflow/Infiltration).
I metodi convenzionali di portata possono essere applicati per calcolare la quantità di infiltrazione mediante misure di portata delle acque reflue durante il periodo di tempo asciutto (Dry Weather Flow, QDWF), le quali successivamente sono confrontate con le
portate di progetto, che includono gli scarichi domestici ed industriali.
Per l'analisi delle infiltrazioni, vengono utilizzati i dati di flusso raccolti durante i periodi in cui la falda sotterranea raggiunge i massimi livelli. Il flusso medio di tempo secco QDWF
può essere determinato analizzando un periodo da una a due settimane di livello massimo della falda in assenza di precipitazioni. Il flusso QDWF include il flusso sanitario più
l'infiltrazione, che può essere separato nei suoi singoli componenti.
Per l'analisi di afflusso, il flusso medio di tempo bagnato (Wet Weather Flow, QWWF) può
essere stimato dai dati di flusso registrati per un periodo in cui si è verificata almeno una pioggia significativa (Figura 1.3). Nel caso in cui si utilizzi un singolo evento di tempesta
20 per analizzare l'afflusso di tempo piovoso, è necessario sia un evento sufficientemente intenso da causare il deflusso superficiale (EPA, 2014).
Figura 1.3 - L'idrogramma aiuta a visualizzare l'afflusso in risposta al flusso di tempo umido (MassDEP, 1993).
1.2.1.1 Stima del flusso sanitario di base
La porzione sanitaria del flusso di acque reflue può essere stimata attraverso due metodi, i quali possono essere utilizzati per controllare l'uno i risultati dell'altro:
− il primo metodo utilizza i dati registrati dai misuratori di portata;
− il secondo metodo si basa sui dati di consumo di acqua pro capite.
Il primo metodo consiste nell'analizzare i dati di flusso di acque reflue presso l'impianto di trattamento o nella sezione di chiusura del bacino idrografico considerato durante un periodo di tempo secco di almeno una o due settimane. Per tempo secco si intende un periodo in cui sono trascorsi almeno tre giorni senza eventi di pioggia. È utile scegliere il periodo di tempo secco durante il periodo in cui il livello della falda sotterranea è massimo per determinare contemporaneamente il tasso di infiltrazione massimo. Dai dati di flusso, è possibile calcolare il flusso giornaliero medio per il periodo di tempo secco (QDWF). Il
21 di infiltrazione delle acque sotterranee (Groundwater Infiltration, QGWI) dal flusso medio
giornaliero di acque reflue (QDWF).
𝑄𝐵𝑆𝐹 = 𝑄𝐷𝑊𝐹 – 𝑄𝐺𝑊𝐼 (1.1)
L’equazione precedente può essere applicata su scala annuale, su scala giornaliera, su scala oraria o per valori di portata istantanei (ad esempio per i minimi notturni) del flusso di acque reflue in fognatura.
Nel secondo metodo, è possibile utilizzare i dati di consumo di acqua pro capite per stimare il flusso sanitario di base per la popolazione servita dalla rete fognaria oggetto di studio. Così facendo le acque reflue provenienti da un'area residenziale possono essere considerate uguali al consumo dell'acqua fatturata. L'infiltrazione delle acque sotterranee può essere stimata come la differenza tra il flusso di acque reflue monitorate e l'utilizzo di acqua fatturata.
1.2.1.2 Stima dell'infiltrazione
L'infiltrazione di acque sotterranee (QGWI) può essere stimata dai dati di flusso raccolti
durante un periodo di tempo secco in cui il livello della falda sotterranea è massimo. Il periodo di tempo secco selezionato dovrebbe essere lo stesso per la stima del flusso sanitario di base, tuttavia è più importante stimare la QGWI durante l'alta stagione delle
acque sotterranee. Nel periodo di tempo secco, l'afflusso (Inflow) è assunto pari a zero. Durante questo periodo, il tasso di infiltrazione può essere quantificato calcolando la media dei flussi notturni (dalle 0:00 alle 6:00) per diversi giorni, in condizioni di tempo secco. Si può presumere che i flussi notturni siano per lo più acque sotterranee (dopo aver sottratto i flussi notturni industriali o commerciali significativi).
1.2.1.3 Stima dell'afflusso
L'afflusso rappresenta l'influenza delle precipitazioni sul sistema fognario e viene calcolato sottraendo dai dati di flusso registrati, in un periodo in cui il sistema è stato influenzato dalla pioggia, il flusso sanitario di base QBSF e il flusso di infiltrazione QGWI.
22 i dati del tempo secco immediatamente precedenti l’evento meteorico quando le condizioni delle acque sotterranee sono simili.
1.2.2 Metodi chimici
I metodi chimici più recenti sono stati utilizzati per quantificare l'infiltrazione in fognatura, tramite l’analisi dell’equilibrio di massa, utilizzando un tracciante naturale come isotopi stabili o carichi inquinanti come COD, TSS o la concentrazione di NH4
(Bareš et al., 2009; 2012; De Benedittis e Bertrand-Krajewski, 2005; Ellis e Revitt, 2002). Tali metodi sono basati su un modello di miscelazione del liquame, contenente un tracciante naturale (ad esempio COD, TSS) ed acqua sotterranea infiltrata, con una concentrazione trascurabile (o nota) dell’inquinante scelto. L’utilizzo del COD come tracciante è considerato particolarmente appropriato poiché la sua concentrazione nelle acque di infiltrazione può essere considerata trascurabile.
Una metodologia per la quantificazione delle infiltrazioni delle acque sotterranee in fognatura è basata sulla variazione del carico inquinante diurno e sul monitoraggio continuo della qualità delle acque e delle portate (Bareš et al., 2009). Il metodo utilizza un modello di miscelazione nel quale vengono inseriti inquinanti selezionati; spesso sono utilizzate le misure di COD e TSS a causa della loro limitata concentrazione nelle acque sotterranee. Il monitoraggio degli input del modello è eseguito dotando il punto di chiusura del bacino di un misuratore di portata continuo e di un sensore per la misura della variazione diurna della concentrazione di inquinanti selezionati. La concentrazione dei traccianti nelle acque sotterranee è stimata di entità trascurabile. I risultati ottenuti dal modello permettono di individuare i contributi significativi di acque parassite laddove le misure della concentrazione dei traccianti in fognatura presentano valori minori.
Un’alternativa all’utilizzo di un tracciante naturale è il monitoraggio delle serie temporali di torbidità e conducibilità del refluo in fognatura per determinare il rapporto di miscelazione tra acque luride ed acque sotterranee infiltranti, poiché i fenomeni di I/I generalmente riducono la conducibilità dei liquami domestici (Aumond e Joannis, 2006; Zhang et al., 2018).
23
1.2.3 Distributed Temperature Sensing (DTS)
In Europa, l'uso di sensori di temperatura distribuiti (Distributed Temperature Sensing, DTS) è stato applicato per localizzare le fonti di acqua estranea o flussi illeciti di acqua piovana nei sistemi fognari (Hoes et al., 2009; Schilperoort et al., 2013; Walters, 2015). Con l'aiuto di un cavo in fibra ottica installato nel sistema fognario, con luce laser pulsata lungo la sua lunghezza, questo metodo registra i dati ad alta risoluzione della temperatura presente in fognatura in orari e luoghi specifici per lunghi periodi di monitoraggio (Figura 1.4).
Figura 1.4 - Distributed Temperature Sensing (DTS)1.
Gli intervalli di temperatura anomali rilevati o variazioni impreviste in posizioni specifiche suggeriscono la presenza di afflussi illeciti o non intenzionali (Hoes et al., 2009). In Figura 1.5 è riportato un esempio dei dati ottenuti dall’utilizzo della tecnologia DTS (Walters, 2015).
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Figura 1.5 - Esempio dei risultati ottenuti con l’utilizzo della tecnica DTS. É possibile notare i punti in cui è presente un flusso regolare di acqua a temperatura minore (Walters, 2015).
Infatti, poiché la maggior parte degli indicatori delle prestazioni del sistema fognario non sono facilmente misurabili in sistemi di acque reflue, ciò causa un ostacolo al controllo in tempo reale tramite tali parametri. Invece di utilizzare un costituente, un'alternativa è rappresentata dall’utilizzo delle caratteristiche delle acque reflue, le quali sono facilmente misurabili nei sistemi fognari e potrebbero servire come parametri indicatori del processo di diluizione dei reflui in fognatura. I parametri di temperatura e conducibilità mostrano una buona correlazione con la diluizione del flusso in tempo asciutto durante un evento piovoso (Schilperoort, 2006).
Una metodologia alternativa consiste nel monitorare in continuo la temperatura all’interno di pozzetti tramite data loggers, al fine di determinare un pattern giornaliero all’interno della fognatura (Figura 1.6). Una diminuzione della temperatura rispetto a tale andamento medio potrebbe indicare la presenza di infiltrazione di acque parassite (Walters, 2015).
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Figura 1.6 - Esempio di pattern giornaliero della temperatura registrato (Walters, 2015).
1.2.4 Smoke Testing
Il test del fumo è un metodo di rilevamento ingegneristico per individuare, identificare e classificare le potenziali fonti di infiltrazione ed afflusso in fognature separate. Questo test prevede l'inserimento di una sorgente di fumo, in genere costituita dalla combustione di elementi vegetali, non tossici e inodori, all’interno dei pozzetti della rete fognaria (Figura 1.7).
Figura 1.7 - Smoke Testing per la ricerca di potenziali fonti di I/I in un sistema fognario (Beheshti et al., 2015).
In questo modo il fumo viene convogliato all’interno delle tubazioni fino a risalire nel punto di immissione delle acque (Figura 1.8), indicando così la presenza di afflussi e/o infiltrazioni (City of Toledo, 2011; Hoes et al., 2009). Il test del fumo è solo il primo passo fondamentale per la localizzazione delle fonti di I/I. Per avere risultati più accurati
26 la rete dovrebbe essere monitorata con una telecamera CCTV, al fine di mostrare l'esatta posizione degli afflussi e/o infiltrazioni (Schwindamann, 2008).
Figura 1.8 - Fuoriuscita del fumo durante lo Smoke Testing (Schwindamann, 2008).
1.2.5 Dye Testing
Il Dye Testing è un metodo di tracciatura per rilevare il percorso del flusso e determinare le connessioni illecite esistenti nei sistemi fognari. Questo processo prevede l'aggiunta di un colorante fluorescente non tossico ad una fonte di acqua dolce a monte, che si pensi possa contribuire al fenomeno delle portate parassite. Attraverso l’ispezione delle fognature a valle è possibile risalire al tragitto (Figura 1.9) e verificare l'esistenza di un collegamento con il sistema fognario (Beheshti et al., 2015).
Figura 1.9 - Colorante all’interno di un pozzetto, tramite il quale è possibile risalire al tragitto del flusso2.
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1.2.6 Televisioni a circuito chiuso (CCTV)
Un metodo sicuro ed immediato per individuare l'infiltrazione è l'ispezione televisiva a circuito chiuso. Durante questo processo viene collocata una piccola videocamera robotica all’interno della fognatura principale su un cingolato auto-propulsore (Figura 1.11). La fotocamera fornisce una visione completa sulla condizione interna del tubo di fognatura all’operatore specializzato, il quale osserva tutto da un monitor. La relazione e il video digitale dell’ispezione possono poi essere riesaminati da un ingegnere che stabilisce quali sono i metodi di riparazione appropriati e necessari (Beheshti et al., 2015).
Figura 1.10 - Telecamera a circuito chiuso sul cingolato auto-propulsore (City of Toledo, 2011).
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Capitolo 2
Modelli di simulazione delle reti fognarie: SWMM
2.1 Premessa
Il software utilizzato per lo studio del bacino oggetto di tesi è EPA Storm Water Management Model, denominato in seguito semplicemente SWMM, prodotto e sviluppato dal Water Supply and Water Resources Division di Environmental Protection Agency (US-EPA).
SWMM è in grado di simulare il movimento della precipitazione meteorica e degli inquinanti da essa trasportati dalla superficie del bacino alla rete dei canali e condotte che costituiscono il sistema di drenaggio urbano e agricolo. Tale programma è stato concepito per modellare in termini qualitativi e quantitativi tutti i processi che si innescano nel ciclo idrologico. La risoluzione e l’integrazione numerica delle equazioni di De Saint Venant permette analisi idrologiche complete di reti di canali o condotte sollecitate da fenomeni meteorici o da ingressi di natura diversa.
La versione utilizzata in questo lavoro di tesi è l’ultima rilasciata, la 5.1, basata sulla struttura di calcolo in linguaggio C++.
2.2 Il software SWMM
L’EPA Storm Water Management Model (SWMM) è un modello per la simulazione dinamica delle trasformazioni afflussi-deflussi utilizzabile sia per il singolo evento che per simulazioni di lungo periodo della quantità e qualità dei deflussi urbani; viene utilizzato sia in fase di progettazione sia per l’analisi di eventi di precipitazione eccezionali, fognature miste, fognature sanitarie e altre reti di fognatura nelle aree urbane. SWMM schematizza i processi di trasformazione afflussi-deflussi e la propagazione in rete basandosi su fenomeni fisici. Questo modello è inoltre di tipo distribuito poiché è presa in considerazione la variabilità spaziale sia della precipitazione in ingresso al sistema sia delle portate, nonché delle diverse caratteristiche del bacino. Tutte le grandezze sono considerate funzione del tempo e dello spazio. Nei diversi sottobacini le grandezze sono considerate globali, cioè è dapprima calcolato con approccio complessivo
29 l'idrogramma in uscita da ciascun sottobacino e successivamente, procedendo da monte verso valle, per ciascun canale si simula la propagazione risultante della somma degli idrogrammi provenienti dai canali di monte con l'idrogramma del sottobacino diretto. Notevole importanza ha il grado di suddivisione dei sottobacini e il dettaglio con il quale si procede alla simulazione. Il modello è completo in quanto è simulata la successione dei processi del ciclo idrologico in maniera dettagliata. Le simulazioni possono riguardare un periodo molto ampio comprendente numerosi eventi meteorologici intervallati da periodo di tempo asciutto; possono essere eseguite, quindi, simulazioni di tipo continuo.
Riassumendo possiamo ritenere il modello: - Fisicamente basato
- Distribuito - Deterministico - Completo
Esso implementa i principi di conservazione della massa, energia e quantità di moto e permette di effettuare calcoli e simulazioni di tipo idraulico, grazie all’integrazione e alla risoluzione delle equazioni di De Saint Venant, su una rete di canali o condotte sollecitata da fenomeni meteorici; inoltre concettualizza un sistema di drenaggio come una serie di flussi di acqua e materiale tra i diversi comparti ambientali:
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• Comparto “atmosfera”: in cui vengono definiti i valori di pioggia che la simulazione utilizza per le precipitazioni sul bacino. È possibile lanciare simulazioni di eventi di pioggia che vanno a sollecitare il bacino di studio sia a “singolo evento” (durata di poche ore) che “in continuo” (durata di diversi giorni o mesi).
• Comparto “territorio”: può essere rappresentato attraverso uno o più sottobacini; esso riceve le precipitazioni dal comparto atmosfera, sotto forma di pioggia o neve; invia il deflusso sotto forma di infiltrazioni al comparto groundwater.
• Comparto “groundwater”: il quale riceve l’infiltrazione dal territorio e trasferisce una porzione degli afflussi al comparto trasporto.
• Comparto “trasporto”: contiene una rete di elementi di convogliamento (canali, tubi, pompe e regolatori) ed unità di archiviazione/trattamento che trasportano l’acqua ai nodi di uscita o all’impianto di trattamento. I componenti del comparto trasporto sono modellati con nodi e rami. In questo comparto si procede al calcolo della propagazione in rete, scegliendo tra diversi moduli: moto uniforme, onda cinematica e moto vario, basato sulla risoluzione completa delle equazioni di De Saint Venant. In quest'ultima opzione il programma consente di effettuare i calcoli in maniera più accurata, poiché vengono modellati anche i fenomeni di rigurgito, moti a pelo libero e in pressione, inversione del flusso nei rami.
Il programma di calcolo è strutturato in maniera fondamentalmente modulare (Figura 2.2), costituito da singoli blocchi, ognuno dei quali ha una specifica funzione e routine di calcolo. Ogni blocco può essere usato singolarmente oppure in cascata, così che il risultato di uno possa essere inteso come base di partenza per l'utilizzo del blocco successivo, con la sola eccezione del blocco Runoff, il quale ammette come ingressi esclusivamente i dati meteorologici provenienti da moduli di pioggia e temperatura.
31
Figura 2.2 - Possibili relazioni tra i blocchi computazionali.
2.3 Descrizione dei blocchi di SWMM
Il programma è suddiviso in due moduli: uno di servizio e uno computazionale.
Nel primo modulo sono contenuti una serie di blocchi che consentono di elaborare i risultati ottenuti; è possibile compiere operazioni statistiche sui valori risultanti dalle simulazioni (blocco Statistics), gestire i dati meteoclimatici da inserire nel programma o che sono utilizzati nel corso di simulazioni di tipo continuo (blocchi Temperature, Rain ed Evaporation), gestire i risultati (blocco Graph per grafici e stampe), sistemare i valori di output al fine di aggregare i dati, utilizzabili così dai blocchi in cascata (blocco Combine). Appartenente al blocco di servizio è anche il blocco Executive, il quale manipola i file d'interfaccia tra i vari blocchi da eseguire.
Il modulo computazionale contiene quattro blocchi con i relativi simulatori di processo idrologico ed idraulico; uno per la modellazione del deflusso superficiale (Runoff), uno per il calcolo della propagazione in rete con la schematizzazione dell'onda cinematica (Transport), il terzo è un blocco di calcolo dinamico basato sulla risoluzione completa delle equazioni di De Saint Venant che governano il fenomeno idraulico di propagazione all'interno della rete (Extended Transport, Extran). Infine, è presente un blocco che descrive i processi all'interno di un impianto di trattamento (Storage/Treatment).
Il blocco RUNOFF è il primo passo di una simulazione in SWMM: riceve in ingresso i dati meteorologici come ietogramma con intensità o volume di pioggia variabile nel
32 tempo. Esso analizza il processo afflussi-deflussi utilizzando un approccio basato sulla tecnica dei serbatoi non lineari con un’opzione per il calcolo dell'apporto idrico derivante dallo scioglimento della neve. Inoltre, viene analizzato il processo di infiltrazione ed evaporazione in modo da poter arrivare ad ottenere come risultato il tracciamento dell'idrogramma in ogni ramo della rete studiata. Il blocco può essere impostato per compiere simulazioni per periodi temporali che vanno dai minuti agli anni. Il blocco offre anche la possibilità di simulare la qualità delle acque, in termini d'analisi dei processi di spostamento dei contaminanti delle superfici scolanti della rete di fognatura o di scolo. L'output di questo blocco consiste in ietogrammi che fungono da ingresso alla rete di drenaggio.
Il blocco TRANSPORT, che può seguire il lancio del Runoff, va a modellare il comportamento qualitativo e quantitativo del sistema, appoggiando il calcolo idraulico sulla schematizzazione dell'onda cinematica. L'analisi qualitativa è basata su cinetiche del primo ordine, con criteri di Shield sull'inizializzazione del moto. I risultati consistono in livelli, portate e concentrazioni di sostanze contaminanti per componente della rete, schematizzata in un sistema di rami e nodi.
Il blocco STORAGE/TREATMENT può simulare fino a tre inquinanti in un serbatoio contenente fino a cinque unità o processi. Il blocco simula inoltre i processi di decadimento del primo ordine associati ad una miscelazione completa e funzioni di rimozione e di dinamica di sedimentazione. Inoltre, è possibile fare una previsione dei costi di avvio, gestione e di manutenzione per ogni unità di trattamento.
Il blocco EXTRAN, Extended Transport, costituisce l'idraulica di SWMM; consente infatti di modellare la propagazione dei deflussi all'interno della rete mediante la risoluzione completa delle equazioni di De Saint Venant. Extran è un modulo completo per la simulazione di reti ramificate e a maglia; sono modellati, infatti, anche i fenomeni di rigurgito, le inversioni del flusso nei rami, i moti a pelo libero ed in pressione. Extran utilizza una descrizione topologica della rete basata su una geometria rami-nodi, i quali hanno caratteristiche specifiche, opportunamente configurabili, che, combinate tra loro, permettono la descrizione idraulica dell'intera rete di deflusso. Nella schematizzazione usata dal blocco, i rami sono sostanzialmente i condotti della rete fognaria o i canali nel caso di sezioni aperte. Essi consentono di propagare le portate da un nodo all'altro. I nodi
33 rappresentano i pozzetti presenti nel sistema fognario o i punti di intersezione dei rami; nei nodi sono localizzate le portate in ingresso provenienti dal Runoff generate a partire dal modello afflussi-deflussi e le portate uscenti dalla rete.
L'utilizzo del blocco Extran è consigliabile quando è necessario rappresentare condizioni di rigurgito e di inversioni di flusso, nonché quando siano presenti organi speciali di regolazione quali sfioratori, pompe e bacini d'accumulo.
Invece, per la simulazione dei canali e delle piccole condotte nelle zone più a monte del sistema, dove meglio reggono le assunzioni di serbatoi non lineari in cascata e di moto uniforme, meglio si addice alle caratteristiche dei moduli Runoff-Transport, i quali essendo più semplici permettono una migliore capacità computazionale.
2.4 Processi idrologici
SWMM rappresenta i vari processi idrologici che producono il deflusso nelle aree urbane. Questi includono:
− precipitazioni variabili nel tempo;
− evaporazione dell’acqua in superficie;
− accumulo e scioglimento della neve;
− infiltrazione di pioggia negli strati insaturi del terreno;
− percolazione di acqua infiltrata negli strati dell’acqua freatica;
− scambi idrici tra acque sotterranee e la rete di fognatura.
La variabilità spaziale di questi processi è realizzata dividendo la zona di studio in sottobacini, subcatchment, ognuno dei quali sarà diviso sulla base dell’area permeabile ed impermeabile. Il deflusso superficiale può essere diretto fra i subcatchments, o nei punti di entrata di una rete di fognatura.
2.4.1 Caratteristiche delle precipitazioni
Le precipitazioni in SWMM vengono definite attraverso l’attribuzione dei Rain Gages, mediante i quali è possibile simulare l’evento piovoso; i dati di pioggia possono essere introdotti come una serie temporale direttamente dal programma, oppure mediante un file esterno. Tra i principali parametri necessari per definire la legge di pioggia si hanno:
34 tipologia dei dati (intensità, volume o volume cumulato), registrazione dell’intervallo temporale (ad esempio quindici minuti), fonte dei dati di pioggia.
2.4.2 Caratteristiche dei sottobacini
I sottobacini sono delle unità idrologiche che delimitano le superfici drenanti a ciascun nodo; per poterli definire è necessario dividere la zona di studio e identificare il punto di sbocco di ciascuno di essi. Inoltre, i subcatchments possono essere suddivisi in aree permeabili e impermeabili e ad ogni bacino può essere associata una legge di pioggia con diverse caratteristiche. I principali parametri di input necessari per definire un sottobacino sono: legge di pioggia assegnata, nodo o sottobacino di uscita, assegnato uso del suolo, area del bacino, impermeabilità, larghezza caratteristica del deflusso superficiale, coefficiente n di Manning per il deflusso superficiale.
- Area: viene immesso il valore dell’area del sottobacino, espresso in ettari;
- Pendenza media: si tratta della pendenza media del singolo sottobacino;
- Width o larghezza equivalente del bacino: la larghezza è definita come l’area del sottobacino divisa per la lunghezza del più lungo percorso idraulico che l’acqua può percorrere. Se lo scorrimento superficiale è idealizzato come un deflusso lungo una superficie piana inclinata, nel caso più semplice di forma rettangolare, allora il width del bacino di drenaggio è identificabile fisicamente con la larghezza della superficie su cui avviene lo scorrimento superficiale. Supponendo di avere un bacino semplice di forma rettangolare e percorso da un canale di scolo di lunghezza L che lo divida in due aree simmetriche, come nel caso della Figura 2.3; il calcolo del width porterebbe a trovare il valore di W=2L. Inoltre, moltiplicando il valore del parametro width per il valore di qL, deflusso
laterale per unità di larghezza, si ottiene il valore totale dell’apporto idrico nel canale centrale. Dal momento che i bacini reali spesso non hanno una semplice forma rettangolare e nemmeno presentano notevoli proprietà di simmetria/uniformità, per ottenere una buona stima del valore di width è necessario adottare delle procedure per sopperire alle forme generiche che usualmente assumono i sottobacini. Il valore del width, infatti, può influire sulla
35 forma dell’idrogramma (una volta fissate le pendenze del bacino e la rugosità del terreno il calcolo viene influenzato unicamente dal valore W). Poiché non è facile individuare i percorsi di flusso, spesso la larghezza è considerata un parametro di calibrazione.
Figura 2.3 - Schematizzazione di un sottobacino (Rossman et al., 2016).
- Percentuale delle aree impermeabili: il valore introdotto è definito come il rapporto tra le superfici impermeabili, quali strade ed aree urbane, e l’area totale del sottobacino (Figura 2.4).
Figura 2.4 - Tipologie di superfici all’interno di un sottobacino (Rossman et al., 2016).
- Altezza delle depressioni superficiali: l’altezza d’acqua nelle depressioni superficiali viene considerata come una perdita causata da diversi fattori, tra i quali si possono annoverare il ristagno delle acque e l’intercettazione da parte delle asperità del terreno e delle superfici. L’acqua così immagazzinata è soggetta, nel caso di superfici permeabili, ad infiltrazione (ed evaporazione), ragion per cui
36 viene continuamente e rapidamente rimpiazzata, mentre nel caso di superfici impermeabili questa è esaurita solo per evaporazione, perciò viene rinnovata in maniera più lenta. Nell’immissione dei dati risulta quindi necessario utilizzare due valori distinti, uno per le aree permeabili e uno per quelle impermeabili. Inoltre, per le superfici impermeabili viene indicata una percentuale di area nella quale non si hanno depressioni, e quindi non si ha immagazzinamento di acqua; in questo modo si ottiene che una parte delle superfici impermeabili risponde immediatamente alla sollecitazione dovuta alle piogge generando un deflusso superficiale in tempi minori.
2.4.3 Calcolo del deflusso superficiale (RUNOFF)
Il deflusso superficiale è la parte di precipitazione che scorre sulla superficie del terreno e si raccoglie successivamente nella rete di scolo; l'infiltrazione, l’intercettazione e l'accumulo nelle depressioni superficiali sono delle perdite nelle simulazioni ad evento singolo. Dalle perdite si ottiene la pioggia netta, ossia quella quota di precipitazione che contribuisce al deflusso superficiale. La figura successiva evidenzia come è considerato da SWMM il deflusso superficiale (Figura 2.5).
Figura 2.5 - Rappresentazione concettuale del deflusso superficiale (Rossman et al., 2016).
Ogni superficie dei sottobacini, in cui è suddiviso il territorio, è trattata come un serbatoio non lineare. Gli ingressi derivano dalle precipitazioni, dalle piogge e/o scioglimento delle nevi, le uscite sono diverse e sono rappresentate dall’evaporazione, dall’infiltrazione e
37 dal deflusso superficiale. Il volume di questo serbatoio è rappresentato dalla massima capacità di immagazzinamento delle depressioni, ossia quel volume d’acqua intercettata da avvallamenti, sconnessioni delle superfici e ristagni. Il deflusso superficiale per unità d’area Q s’innesca ogni qualvolta l’altezza d’acqua nel serbatoio supera il valore delle depressioni dp ed in questo caso il flusso che fuoriesce è dato dall’equazione:
𝑄 = 𝑊 ∙1.49 𝑛 ∙ (𝑑 − 𝑑𝑝) 5 3∙ 𝑆 1 2 (2.1) Dove:
Q=il deflusso superficiale;
W= “larghezza” del sottobacino o width; n=coefficiente di scabrezza di Manning; S=pendenza del sottobacino;
d=altezza d’acqua;
dp=altezza delle depressioni superficiali.
L’altezza d’acqua dei sottobacini è continuamente aggiornata nel corso del calcolo, risolvendo numericamente il bilancio d’acqua presente sul sottobacino. I sottobacini sono sempre divisi in due porzioni: impermeabili (es. aree urbane, zone industriali e strade) e permeabili (es. aree destinate a coltivazioni); infatti il deflusso superficiale può infiltrarsi attraverso la porzione superficiale delle aree permeabili.
2.5 Modellazione dei componenti fisici di una rete fognaria in
SWMM
Per la modellazione di una rete di drenaggio urbano è necessario definire gli elementi costituenti. All’interno di SWMM, una rete fognaria è rappresentata da una serie di rami collegati tra loro da nodi; in particolare, ad ogni elemento in SWMM corrisponde un elemento rappresentativo del sistema fognario quale un pozzetto, uno scarico, un impianto di sollevamento (Figura 2.6); ognuno di essi è caratterizzato da parametri di input che devono essere definiti per poter rappresentare uno schema di rete fognaria reale.
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Figura 2.6 - Esempio di schematizzazione di una rete di drenaggio (Rossman, 2017).
Gli elementi che caratterizzano una rete fognaria all’interno di SWMM possono essere puntuali o che necessitano di almeno due nodi (iniziale e finale) per poter essere definiti. Gli elementi puntuali sono:
− Nodo (Junction): costituiscono la connessione tra due o più collettori; ognuno di essi può descrivere la variazione di pendenza o la variazione della sezione di un canale, un pozzetto, un punto di immissione di portata; inoltre, se essi sono rappresentativi della connessione tra due o più collettori, i principali parametri di input necessari a caratterizzarli sono: la quota del fondo, la profondità rispetto alla superficie, eventuali portate immesse.
− Scarico (Outfall): se i nodi rappresentano i punti terminali della rete di drenaggio, come ad esempio gli scarichi, tra i parametri di input devono essere inseriti: la quota di fondo del nodo, la presenza di un’eventuale paratoia che impedisca l’inversione del flusso e le condizioni al contorno (bisogna specificare se lo scarico è libero, a portata costante o variabile); a questa tipologia di nodi può essere collegato soltanto un tratto.
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− Separatore di portata (Divider): sono i nodi in grado di descrivere come avviene la divisione o separazione di portata. Tra i principali parametri di input si hanno: la quota di fondo, la profondità rispetto alla superficie, eventuali portate immesse e le condizioni al contorno (cioè se la portata viene separata quando oltrepassa un certo valore, oppure se vengono deviate le portate eccedenti la capacità del canale; la separazione di portata può essere anche rappresentata con un’assegnata funzione tabellare; inoltre è possibile utilizzare l’equazione di uno stramazzo per calcolare la portata deviata).
− Vasca di accumulo (Storage Unit): è rappresentata da un elemento nodale con capacità di accumulo; può rappresentare ad esempio una vasca volano o un bacino di raccolta; i principali parametri di input necessari a descrivere una vasca di accumulo sono: la quota di fondo, il massimo riempimento, il legame tra area e tirante idrico, l’evaporazione potenziale.
Per quanto riguarda invece gli elementi non puntuali, per poterli definire è necessario avere un nodo di ingresso e un nodo di uscita; in particolare si possono avere:
− Canale (Conduit): è rappresentativo di un canale che permette il transito di portata da un nodo all’altro; ogni canale è costituito da caratteristiche costanti quali ad esempio la sezione, la pendenza, la scabrezza; inoltre è possibile scegliere diverse forme di sezione trasversale: aperte, chiuse o di forma irregolare. SWMM utilizza l’equazione di Manning per esprimere la relazione tra portata, sezione trasversale, raggio idraulico e pendenza:
𝑄 =1.49 𝑛 ∙ 𝐴 ∙ 𝑅 2 3∙ √𝑆 (2.2) Dove: Q=portata; A=sezione trasversale; R=raggio idraulico; S=pendenza;
40 Tra i principali parametri di input si hanno: nodo iniziale, nodo finale, le quote di estremità delle sezioni del condotto, lunghezza, geometria della sezione trasversale, scabrezza di Manning, perdite di carico in ingresso e uscita, presenza di una paratoia per prevenire l’inversione del flusso.
− Impianti di sollevamento (Pumps): vengono utilizzati per poter convogliare una certa portata da una quota minore a una quota maggiore; i principali parametri richiesti per poter definire una pompa sono: nodo d’ingresso e di uscita, il suo stato iniziale (accesa o spenta) e la curva caratteristica. Per quanto concerne quest’ultimo aspetto, è possibile definirla attraverso diverse funzioni, come ad esempio carico-portata, volume-portata, riempimento-portata.
I regolatori di portata (Flow Regulators) sono strutture o dispositivi utilizzati per controllare e deviare le portate all’interno di un sistema di drenaggio. SWMM è in grado di modellare diverse tipologie di regolatori di portata:
− Orifices: è in grado di far uscire da una condotta o da un serbatoio una certa portata calcolata con la relazione delle luci a battente:
𝑄 = 𝐶 ∙ 𝐴 ∙ √2𝑔ℎ (2.3) In cui:
Q=portata uscente;
C=coefficiente d’efflusso; A=area della sezione di sbocco; g=accelerazione di gravità; h=carico.
I principali parametri di input sono: nodo d’ingresso e d’uscita, configurazione (sul fondo o laterale), forma (circolare o rettangolare), altezza al di sopra del fondo del nodo, coefficiente di portata.
− Weirs: permettono di rappresentare gli sfioratori o scolmatori; possono assumere diverse configurazioni, come ad esempio: laterale, frontale o trapezoidale. I
