INDICE:
Premessa . . . pag. 2
Considerazioni generali relative al . . . pag. 7 calcolo della portata di massima piena
Parametri caratteristici dei bacini . . . pag. 9 idrografici
Determinazione della legge di probabilità . . pag.13 pluviometrica
Determinazione degli apporti idraulici . . . pag.23
Verifica idraulica delle condotte . . . . pag.28
Trattamento primario delle acque di prima pioggia . pag.32
Metodologia di dimensionamento e criteri di. pag.34 trattamento delle vasche di prima pioggia
RELAZIONE IDROLOGICA ED IDRAULICA
Premessa
La presente relazione assume la finalità di illustrare le determinazioni e valutazioni idrologiche - idrauliche per la elaborazione e predisposizione del progetto definitivo dei lavori di “realizzazione di collettori principali di fogna bianca a servizio del territorio urbano di San Giovanni Rotondo”, in Provincia di Foggia.
Lo studio in essere si rende necessario, nell’ambito del progetto definitivo dei lavori precedentemente menzionati, allo scopo di:
- definire la caratterizzazione idrologica delle aree di interesse;
- verificare la idoneità idraulica del sistema di collettamento delle acque di prima pioggia, rispetto alle portate di picco defluenti.;
- descrivere e verificare la idoneità delle opere idrauliche di trattamento delle acque di prima pioggia, consistenti nei processi di chiarificazione primaria, in modo tale da garantire un recapito delle acque meteoriche nei corpi recettori con carico di inquinamento limitato.
Al fine di garantire la funzionalità e la continuità dell’esercizio dell’opera, rispetto a eventi idrologici di fissata frequenza probabilistica, è stato, pertanto, condotto lo studio idrologico dell'area in cui l’opera è inserita.
Tale studio, propedeutico a qualunque valutazione di carattere idrologico locale, ed alle successive verifiche idrauliche, è mirato:
- alla acquisizione delle osservazioni pluviometriche, registrate
dalla stazione pluviografica di riferimento, delle precipitazioni di durata oraria, che caratterizzano il bacino idrografico di interesse, ed alla successiva elaborazione dei dati. La stazione pluviometrica sarà quella più significativa, individuata in funzione della quantità di osservazioni disponibili e della sua capacità di rappresentare i fenomeni idrologici della zona di attenzione, in base alle peculiarità geografiche e climatiche;
- alla definizione dell’estensione delle superfici scolanti delle aree di interesse;
- alla determinazione dei valori delle portate di piena per un prefissato tempo di ritorno, rispetto alle quali dimensionare le opere idrauliche nel loro complesso.
Lo studio è stato condotto considerando il bacino di raccolta sottesa all’area urbana del Comune di San Giovanni Rotondo, escludendo le precipitazioni di carattere alluvionale che genererebbero deflussi molto più elevati in quanto si attiverebbero i bacini idrografici montani.
La morfologia dell’area urbana è tipica di un bacino chiuso (endoreico).
Le opere di captazione e drenaggio, come facilmente desumibile dall'analisi dei grafici allegati nelle pagine seguenti, sono sottoposte a due bacini urbani, identificati come est ed ovest, le cui sezioni di chiusura sono ubicate in corrispondenza dei tratti terminali delle opere di progetto.
La stazione pluviometrica significativa, è quella di San Giovanni Rotondo, capace di rappresentare i fenomeni idrologici della zona di attenzione e che consente di definire la curva di probabilità pluviometrica, riportata nei paragrafi successivi, e necessaria per il
predimensionamento delle opere idrauliche rispetto a eventi idrologici di fissata frequenza probabilistica.
La curva di probabilità pluviometrica consente di stimare, per un prefissato tempo di ritorno, le precipitazioni pluviometriche che si abbattono sulle aree di interesse e che possono produrre, specie se brevi e intense, un deflusso superficiale di non trascurabile entità.
Le acque di ruscellamento superficiale, raccolte dai dispositivi di intercettazione, determinano una portata di picco nelle condotte di collettamento, le quali, se non opportunamente dimensionate, possono creare inconvenienti anche di rilievo.
Inoltre, la vena fluida defluente, creata dal ruscellamento superficiale deve essere contenuta al fine di non determinare fenomeni di alluvionamento di tipo localizzato e diffuso.
Per eseguire, quindi, in maniera corretta, la verifica del drenaggio superficiale che si intende realizzare nell'area, è necessario fare uno studio idrologico della porzione di territorio del comune di San Giovanni Rotondo che convoglia acqua durante i periodi di pioggia all'interno del bacino.
Tale studio consentirà di stimare, anche con una certa approssimazione, il quantitativo di acqua che cade nell'area così da poter dimensionare correttamente la sezione idraulica del sistema di drenaggio superficiale.
Lo smaltimento delle acque piovane drenate avviene, tramite collettori in tubazioni di Polipropilene, di diametro variabile dal 800 mm al 1200 mm.
E' opportuno precisare, immediatamente, che lo studio idrologico verrà elaborato considerando un “Tempo di Ritorno” pari a dieci anni, come consigliato dalla letteratura tecnica specifica di settore, per opere della tipologia di quelle in oggetto.
Si accetta, cioè, il rischio che, nell'arco temporale di dieci anni, possa verificarsi un evento idrologico superiore a quello stimato non compatibile con le capacità idrauliche delle opere d’arte previste nel progetto definitivo di che trattasi.
Il collettamento delle acque meteoriche di prima pioggia alla destinazione ultima, avverrà solo successivamente ad un trattamento di chiarificazione primaria, consistente, specificamente, nelle fasi di:
- grigliatura;
- dissabbiatura;
- sedimentazione dei solidi sospesi;
- flottazione di oli ed idrocarburi.
Le principali sostanze inquinanti legate al transito veicolare, infatti, derivano dall’abrasione del manto stradale, delle gomme, dei ferodi dei freni, da perdite di liquidi, dalle emissioni di gas combusti, da perdite di merci trasportate, da rifiuti e materiali vari gettati sul manto di superficie e trasportate, in occasione degli eventi meteorici, in sospensione o soluzione, direttamente al recapito finale.
La caratterizzazione dei carichi inquinanti presenti nelle acque drenate e la particolare geometria dei sistemi che ne caratterizzano il trasporto, costituiti da brevi tratti di superficie e tempi ridotti di contatto, consentono, in ogni caso, di trascurare l’aliquota delle sostanze disciolte, e di correlare i carichi inquinanti alla sola matrice dei solidi sospesi.
Il dispositivo previsto nel presente progetto definitivo per la chiarificazione primaria è costituito da un manufatto modulare da interro, realizzato in polietilene, con funzionamento in continuo, come
desumibile dall’elaborato grafico n. 18, avente ad oggetto “Particolari costruttivi vasche per il trattamento delle acque di prima pioggia”, idoneamente dimensionato per svolgere la funzione di grigliatura, dissabbiatura, sedimentazione dei solidi sospesi e flottazione di oli ed idrocarburi.
In particolare, il predetto dispositivo di chiarificazione primaria è articolato in:
- un'unica vasca modulare, rinforzata mediante nervature verticali ed orizzontali, in polietilene;
- pozzetto di testa, compartimentato all’interno, con funzione, anche, di regolazione della portata in ingresso;
- pozzetto terminale, con funzione di raccolta e smaltimento delle portate chiarificate in uscita e di quelle, eventualmente, scolmate dal pozzetto di regolazione di testa.
Considerazioni generali relative al calcolo della portata di massima piena
Lo studio idrologico ha lo scopo, di definire una stima, la più attendibile possibile, della portata al colmo di piena, che può verificarsi nel bacino di raccolta sotteso all’area urbana in corso di studio una volta ogni "T" anni, essendo "T" il Tempo di Ritorno prefissato, da stabilire a priori.
Tale stima viene ricavata per via indiretta considerando le piogge che cadono all'interno del bacino, mediante la metodologia di tipo statistico.
Il bacino idrico o imbrifero può essere considerato come elemento che trasforma gli afflussi in deflussi, con la conseguente formazione di piene.
Il modello utilizzato per studiare il complesso fenomeno della formazione dei deflussi è quello cinematico o razionale, fondato sul concetto di corrivazione.
La portata di massima piena viene ricavata tramite la seguente relazione:
c
max 3,6 t
h Q A
.
In detta relazione:
- rappresenta il coefficiente di deflusso, il cui valore nel caso in oggetto, si assume pari a 0,30;
- tc rappresenta il tempo di corrivazione del bacino in ore;
- A rappresenta la estensione efficace superficie del bacino alle sezioni di sbarramento in kmq;
- h rappresenta l’altezza di pioggia, calcolata in corrispondenza del tempo di corrivazione tc, secondo diversi tempo di ritorno "T".
Il tempo di corrivazione è definito come l’intervallo di tempo occorrente ad una particella d’acqua per raggiungere, dal punto idraulicamente più lontano del bacino, una sezione di chiusura, tributaria di un’area A.
Il tempo di corrivazione dipende dalla forma, dall’estensione, dalla pendenza del bacino scolante e dalla copertura vegetale del suolo, e sarà calcolato tramite la nota formula di Giandotti:
chiusura media
c 0,8 Z Z
L 1,5 A t 4
,
in cui:
- L rappresenta la lunghezza dello scolo principale;
- Zmedia è la quota media del bacino rispetto alla sezione di chiusura in oggetto;
- Zchiusura è la quota della sezione di chiusura.
Parametri caratteristici dei bacini idrografici
Il bacino di raccolta sotteso all’area urbana del Comune di San Giovanni Rotondo, come detto, è l’area che raccoglie tutte le acque che defluiscono in superficie, o negli strati più superficiali del terreno, e permette la formazione del deflusso attraverso una sezione di chiusura.
I due bacini urbani, identificati come est ed ovest, le cui sezioni di chiusura sono ubicate in corrispondenza dei tratti terminali delle opere di progetto, ai fini del presente studio, sono stati individuati considerando le caratteristiche altimetriche del territorio ed individuando le linee di compluvio e displuvio naturali.
I parametri caratteristici della geomorfologia dei bacini sono definiti dai seguenti elementi:
- l’area A in kmq, calcolata per via grafica tramite la digitalizzazione della cartografia del bacino e procedendo alla proiezione orizzontale della superficie topografica;
- la lunghezza dello scolo principale L in km, definita sempre per via cartografica;
- l’altezza della sezione di chiusura Zchiusura in m.s.m. del bacino;
- l’altezza media Zmedia in m.s.m., che rappresenta l’altitudine media del bacino riferita alla sezione di chiusura; detto parametro è calcolato costruendo la curva ipsografica che descrive l’andamento altimetrico di un bacino imbrifero in funzione dell’area mediante la formula:
A A Z
Z i
pi mi media
.
In detta formula:
- Api è l’area delle superfici parziali in cui è suddiviso il
bacino considerando l’intervallo di quote;
- Zmi è la quota media delle diverse superfici parziali Api; - A area totale del bacino.
- il fattore di forma F, che fornisce una indicazione della forma del bacino, considerando il rapporto tra la lunghezza dell’asta fluviale L ed il diametro del cerchio di uguale area A del bacino, mediante la:
A 0,89 L
π A 4
F L
,
in cui:
- L lunghezza in ml dell’asta fluviale principale;
- A l’area in mq del bacino idrografico.
Quanto più F 1, tanto più la forma del bacino sarà raccolta.
- la pendenza media del bacino Pmd, calcolata considerando una striscia delimitata da due curve di livello di lunghezza li e li+1 poste ad una distanza media di; l’area della striscia è data da:
i md i 1 i i
i d l d
2 l
A l
.
Si osserva che la pendenza i della striscia è
i i
d
i e , con ei che
rappresenta la differenza di quota tra le due curve di livello.
Essendo
md i
i l
d A , si ottiene
i md i
A l i e
.
Estendendo a tutto il bacino si ottiene:
A l e
P i
i i md
.
in cui:
- ei è la distanza in metri tra le curve di livello presenti all’interno dell’area del bacino;
- li è la lunghezza in metri delle singole curve di livello;
- A è l’area in mq del bacino.
- Il coefficiente di deflusso dell’area del bacino, definito nella maniera seguente:
tot n
V
V
,in cui:
- Vn rappresenta il volume netto o efficace di acqua raccolta nella sezione di chiusura del bacino;
- Vtot rappresenta il volume totale di precipitazione caduta sull’area del bacino.
Il coefficiente considera le caratteristiche pedologiche e floristiche del bacino:
- tipo di terreno (maggiore o minore permeabilità);
- tipo della copertura vegetale del suolo.
Non tutto l’afflusso pluviometrico è trasformato dal bacino in deflusso.
Sono cause di perdita, infatti, gli invasi nelle depressioni della
superficie del suolo, il velo idrico trattenuto dalla tensione superficiale, l’infiltrazione nel sottosuolo e l’evaporazione.
La determinazione di deve essere effettuata sperimentalmente o riferendosi ad esperienze similari per clima, vegetazione, struttura dei terreni, ecc.
Per il calcolo del volume d’acqua meteorica da accumulare è necessario conoscere, pertanto, la superficie resa impermeabile delle opere di urbanizzazione presenti: tale superficie è il risultato della somma delle aree adibite a copertura, strade, piazzali, marciapiedi, ecc…, corrette con il loro relativo coefficiente di deflusso, il quale dipende dai materiali di costruzione realizzati.
Nelle calcolazioni di cui al presente studio, il bacino scolante, risulta caratterizzato prevalentemente da aree urbane e residenziali a deflusso medio e basso.
Di seguito, in forma tabellare, sono precisati i valori dei coefficienti di afflusso per le predette aree (desunti dal testo Fognature, Da Deppo-Datei, ed. Cortina 2005).
Tabella n. 1 - Coefficienti di deflusso (fonte: Fognature, Da Deppo-Datei, ed. Cortina 2005)
In tale studio, è stato assunto un coefficiente di deflusso, valido per le aree residenziali, pari a 0,3.
Tipo di Superficie
Tetti rivestiti con lamiera o tegole 0,9 ÷ 1,0 Tetti piani con rivestimento in CLS 0,7 ÷ 0,8 Tetti piani a verde pensile 0,3 ÷ 0,4
Superfici pavimentate 0,7 ÷ 0,9
Strade di terra 0,4 ÷ 0,6
Superfici erbose 0,1 ÷ 0,4
Aree residenziali 0,3 ÷ 0,7
Boschi 0,1 ÷ 0,3
Terreni coltivati 0,2 ÷ 0,6
Determinazione della legge di probabilità pluviometrica
Metodologia di calcolo
Il calcolo della pioggia di progetto, che determina la portata di massima piena, si effettua considerando lo studio della legge di possibilità climatica o legge di possibilità pluviometrica.
L’espressione analitica di tale legge è la seguente:
h = atn dove:
- h rappresenta l’altezza di pioggia in mm;
- t rappresenta la durata di pioggia in ore;
- a rappresenta l’altezza di pioggia caduta nell’unità di tempo;
- n < 1, poiché l’intensità di pioggia i=h/t diminuisce con l’aumentare della durata, assume generalmente valori compresi tra 0,25 e 0,60.
La rappresenta grafica della legge di probabilità pluviometrica risulta la seguente:
h
t 0
h=a t
nLog h
Log t 0
Log h= Log a + Log t
n
a
I valori di h e t, elaborati dagli Uffici Idrografici del Ministero dei Lavori Pubblici, sono estrapolati dagli Annali Idrologici.
Nel caso di una porzione di territorio di limitata estensione, la valutazione degli afflussi pluviometrici può essere condotta attraverso valori osservati in un’unica stazione.
La legge di probabilità pluviometrica può essere scritta in forma logaritmica, in modo da determinare i parametri a e n, dipendenti dalle caratteristiche pluviometriche della zona, con il metodo grafico:
Log h = Log a + n Log t
Detta formula su un piano bilogaritmico rappresenta una retta, secondo le indicazioni del grafico seguente.
La costante a, è definita dal valore dell’intercetta sull’asse delle ordinate, mentre la costante n è il relativo coefficiente angolare.
I dati relativi alle altezze di pioggia correlate alle durate prescelte sono ordinate in una tabella in senso decrescente.
Sono così determinati i valori del primo caso critico, cioè le altezze di precipitazione raggiunte una sola volta e mai superate nel periodo di osservazione.
I valori che seguono, in ordine di grandezza, i massimi individuati in precedenza, determinano i valori di secondo caso critico, che indicano le altezze di precipitazione raggiunte due volte nel periodo di osservazione e superate una sola volta, e così via fino all’ordine n.
L’ordine n di una curva di caso critico indica dunque le volte in cui i valori che essa regolarizza sono stati raggiunti negli N anni di osservazione e superati n-1 volte.
Il tempo di ritorno rappresenta l’intervallo medio di tempo tra piogge di pari intensità o maggiori.
Nel caso in esame, come indicato in premessa, si è assunto un tempo di ritorno pari a 10 anni.
Altro parametro caratteristico delle piogge è l’intensità di precipitazione, definita come:
Per la determinazione della legge di possibilità pluviometrica dell’area di studio, si fa riferimento alle precipitazioni di massima intensità e breve durata registrate al pluviografo della stazione di San Giovanni Rotondo, situata alla quota di 565,00 m. s.l.m. e dotato di dati sufficienti per le elaborazioni di interesse.
Nelle pagine successive, si procederà alla elaborazione dei dati della precipitazioni di durata oraria nell’ottica di definire una curva di possibilità pluviometrica, come meglio precisato nei paragrafi
1 n n
t t a
t a t
i h
seguenti, perfettamente aderente ai caratteri idrologici specifici dell’aerea di attenzione.
Elaborazione delle precipitazioni di durata oraria
Le precipitazioni di massima intensità di durata oraria, rilevate al pluviografo della stazione di San Giovanni Rotondo, a quota 565,00 m.
s.l.m.m, sono riportate nella tabella seguente.
INTERVALLO IN ORE
Anno 1 h 3 h 6 h 12 h 24 h
1966 29.6 41.8 43.4 43.6 43.6
1967 20.2 24.4 36 47.6 72.8
1968 15.2 24.2 29.6 35.6 49.4
1969 18.8 19.4 30.2 32 79
1970 41 78 84.4 89.8 100.4
1971 37.2 59 61.6 64.4 65.2
1972 37 77 113.6 125.6 126.4
1973 28 34.4 40 42.8 43.4
1974 62.6 70.4 77.8 107.4
1975 24.8 38.6 38.6 38.6 49
1976 45.2 57 57.6 61.2 65.2
1977 53.6 53.6 53.6 53.6 53.6
1978 25.2 40 65.2 78.6 85
1979 22.6 29.4 35.6 40.8 42.4
1980 20.2 27 33 51.6 72.8
1981 25.2 25.8 25.8 34.8 38.6
1982 50 76.2 77 94.2 115.8
1983 56 62.6 66.2 66.2 87
1984 15.4
1985 25.4 33.4 48.8 57
1986 13.4 22 36.2 60.6 72
1987 20.6 40.2 57.2 69 116.8
1988 25.8 30.2 34.8 41.2
1989 15.8 19.2 26.6 28.8 29.2
1990 23.4 28.4 30 46.4 63.4
1991 25.2 25.2 31.8 33.6 54
1992 15.2 26.6 31.4 51 51.6
1993 15.6 15.6 15.6 20.4 30.2
1994 31.4 33.4 34.2 42
1995 64.6 67 67 68 68.2
1996 33.2 33.2 50.6 84.4 99.2
1997 19.8 32.4 36.6 47.2 70
1998 27.4 35 51.2 77 87.4
1999 22 22 25.6 33.4 43
2000 17.8 23.6 36.6 42.6 44.8
2001 23.4 26 26.6 34.4 45.6
2002 37.4 39.4 39.4 48 57.6
2003 36.6 36.8 47.6 47.6 47.6
2005 38.6 41.4 41.4 41.4 41.4
2006 18 35.4 45.2 65.2 118.8
2007 31.6 36.8 36.8 46.8 84
I dati indicati nella precedente tabella vengono, quindi, elaborati attraverso le leggi della statistica applicata alla idrologia, procedendo nel modo seguente:
1) Si estraggono dagli Annali Idrologici, per i vari valori di t, i massimi valori di h verificatosi per ogni anno di osservazione.
In tal modo si avranno m valori di ht, se m sono i dati reperiti.
Nel caso in esame m = 41.
2) Dagli m dati, si calcola il valore medio per ogni durata attraverso la formula seguente:
Nel caso in esame, i valori medi delle altezze di pioggia per le diverse durate sono pari a:
ht1 = 28,78 mm ht3 = 38,00 mm ht6 = 44,81 mm ht12 = 53,56 mm ht24 = 66,55 mm
3) Dagli m dati e per ogni durata, si estrae lo scarto quadratico medio:
Dai dati raccolti, nel caso in esame, i valori degli scarti quadratici medi per le diverse durate di pioggia sono:
St1 = 12,76 mm St3 = 17,04 mm St6 = 19,30 mm St12= 21,32 mm St24= 26,36 mm
4) Si determina la moda, o valore più comune, attraverso l’espressione:
m
1 i
ti
t m
h h
m
1 i
2
* ti ti
t m 1
) h h S (
I diversi valori più comuni ad ogni assegnato intervallo di tempo sono:
et1 = 28,78 - 0,45* 12,76 = 23,03 et3 = 38,00 - 0,45* 17,04 = 30,33 et6 = 44,81 - 0,45* 19,30 = 36,12 et12= 53,56 - 0,45* 21,32 = 43,97 et24= 66,55 - 0,45* 26,36 = 54,69
5) Si calcola la caratteristica di distribuzione di probabilità delle ht con l’espressione:
t t '
t 0,557* e
K S ,
ottenendo i seguenti risultati:
K’t1 = 12,76/0,557* 23,03 = 0,99 K’t3 = 17,04/0,557* 30,33 = 1,01 K’t6 = 19,30/0,557* 36,12 = 0,96 K’t12= 21,32/0,557* 43,97 = 0,87 K’t24= 26,36/0,557* 54,69 = 0,87
6) Indicando con ht,T il massimo valore che ht può assumere di norma T anni, o con periodo di ritorno T, si può esprimere con buona approssimazione la legge di variazione di ht in funzione di T tramite la relazione:
ht,T = et * (1+ K’ * LogT).
Per quanto riguarda la caratteristica K’t, in base alle esperienze acquisite, si è rilevato che K’ = K’t = cost., indipendenti, cioè, dal valore di t.
I valori di K’t, calcolati per ciascun valore di t, in base agli m dati, risultano di norma, per difetto di campionatura, l’uno
t t
t h 0,45* S
e
diverso dall’altro.
Per ovviare a ciò si assume come valore di K’ = K’t = cost la media pesata dei valori di K’t dedotti per ciascun valore di t:
5
1 i
' ' t
t '
m
* 5
* K m K K
Nel caso in esame risulta:
7) Sulla base delle esperienze effettuate, si è verificato che tra le altezze di pioggia ht e i valori di t esiste una legge di variazione che lega la moda et ai diversi tempi, tramite la relazione:
et = A * tn,
con A ed n indipendenti da t.
Dalle espressioni indicate nelle pagine precedenti risulta, anche:
ht,T = A(T) * tn,
in cui A(T) = A *(1 + K’ * LogT), sempre indipendente da t, assume valori diversi a seconda del periodo di ritorno T che si considera.
Rappresentando le curve in un diagramma cartesiano, le leggi di regressione di et e di ht,T, funzioni di t, risultano
41 0,94 5
0,87 41 0,87 41 0,96 41 1,01 41 0,99 K 41
K' 't
rappresentate da curve (curve di probabilità pluviometrica).
Se si fa ricorso a diagrammi in scala bi-logaritmica, queste curve sono rette parallele tra loro, con coefficiente angolare n.
La distanza fra le rette et(t) e di ht,T(t), corrispondente ad un assegnato valore di T, misurata in direzione parallela all’asse delle ordinate, nella scala di riduzione adottata per riportare i diagrammi in Log h, risulta pari a:
Log(1 + K’ * Logt).
8) Riportando sul diagramma bi-logaritmico le coppie (t1, et1), (t3, et3),…,(tn, etn) si individua la retta che meglio interpola i punti. Tracciata la retta, secondo il seguente grafico, è nota la legge di variazione et = A*t e di conseguenza è noto, anche, n ed A.
9) La retta interpolatrice ha equazione pari a:
y = 0,270 * x + 1,356.
Il coefficiente angolare di detta retta è pari a n = 0,270, mentre l’intercetta sull’asse delle ordinate è pari 1,356; ne deriva A = 101,356 = 22,70.
Assumendo un tempo di ritorno pari a 10 anni, per l’area di interesse, si determina la seguente legge di possibilità pluviometrica:
h = 22,70 * (1 + 0,94 * 1,00) * t0,270 = 44,03 * t0,270.
Per tener conto dell’effetto dell’area, secondo il Puppini, il valore di 44,03 deve essere moltiplicato per un coefficiente riduttivo pari a 0,95, per cui si ha:
h = (0,95*44,03) * t0,270 = 41,83
con la seguente rappresentazione grafica.
Determinazione degli apporti idraulici
Definite le metodologie scientifiche di elaborazione e la pioggia di progetto si può procedere al calcolo della portata di massima piena in corrispondenza delle sezioni di chiusura, dei due bacini urbani, identificati come est ed ovest, ubicate in corrispondenza dei tratti terminali delle opere di progetto come indicato nella premessa del presente studio idrologico.
Dette sezioni di chiusura, sono ubicate in corrispondenza dei tratti terminali delle opere di progetto, rappresentati nella ortofotocarta di seguito allegata, avente ad oggetto “Planimetria con perimetrazione dei bacini di apporto ai collettori di drenaggio del territorio della Citta' di San Giovanni Rotondo”.
Per la individuazione dell’area che raccoglie tutte le acque che defluiscono in superficie, o negli strati più superficiali del terreno, e permette la formazione del deflusso, sono stati delimitati i due bacini idrografici, considerando le caratteristiche altimetriche del territorio ed individuando le linee di compluvio e displuvio naturali, come precedentemente indicato.
Nelle pagine seguenti si allega, inoltre, la perimetrazione del singolo bacino di apporto con la relativa curva ipsografica, che, come detto, descrive l'andamento altimetrico del bacino in funzione delle aree, e da cui è possibile determinare l’altitudine media dei bacini, che risulta pari a:
- Bacino EST Zmed = 554,00 m.s.m;
- Bacino OVEST Zmed = 578,00 m.s.m.
GRAFICO 1
GRAFICO 2
Nelle tabelle di seguito riportate, invece, si riassumono i parametri idrologici e geomorfologici caratteristici dei due bacini di apporto ai collettori con il conseguente calcolo del tempo di corrivazione e della portata di massima piena nei tratti terminali dei collettori.
GRANDEZZE CARATTERISTICHE DEL BACINO EST
Tempo di corrivazione
Portata di piena Formula di
Giandotti
Metodo cinematico Superficie del bacino (Kmq) A = 2,00 Tc (ore) Qmax (mc/sec) Altezza media del bacino (m) Zm = 554 1,93
Altezza di chiusura (m) Zchius = 540 Coefficiente di deflusso = 0,30 Lunghezza asta principale
(Km)
L = 1,90 CURVA DI POSSIBILITÀ PLUVIOMETRICA
h10anni = 41,83*t0,270 (mm) h = 49,95 4,31
GRANDEZZE CARATTERISTICHE DEL BACINO OVEST
Tempo di corrivazione
Portata di piena Formula di
Giandotti
Metodo cinematico Superficie del bacino (Kmq) A = 1,80 Tc (ore) Qmax (mc/sec) Altezza media del bacino (m) Zm = 578 1,75
Altezza di chiusura (m) Zchius = 540 Coefficiente di deflusso = 0,30 Lunghezza asta principale
(Km)
L = 2,1 CURVA DI POSSIBILITÀ PLUVIOMETRICA
h10anni = 41,83*t0,270 (mm) h = 48,65 4,17
Si ribadisce, ulteriormente, che:
- l’area del bacino A è stata calcolata per via grafica, dividendo il bacino, individuato sulla cartografia, in parti geometricamente simili;
- la lunghezza dell’asta principale L, analogamente, è stata definita per via cartografica;
- la Zchius è stata determinata dalla cartografia.
Le portate conferite dalle superfici scolanti agli organi di intercettazione e successivamente ai collettori di drenaggio, calcolate per un periodo di ritorno T=10 anni, come detto, sono state stimate mediante la seguente formula:
c
max 3,6 t
h Q A
.
Le portate al colmo di piena di picco, risultano, specificamente, per le aree dei due bacini individuati, Denominati “Bacino Est” e “Bacino Ovest”, precedentemente indicati, pari a:
- QmaxEST =(φ∙A∙h)/3,6∙tc=(0,3 ∙ 1,8 ∙ 49,95)/3600∙ 1,93=4,31 m^3/s - QmaxOVEST=(φ∙A∙h)/3,6∙tc=(0,3 ∙ 2,0 ∙ 48,65)/3600∙ 1,75=4,17 m^3/s
Nel caso di specie, la totalità della portata di progetto Qmax del Bacino Ovest, come desumibile dalla planimetria allegata nei paragrafi precedenti, viene drenata mediante due collettori, definiti Collettore Ovest e Collettore Ovest 2, a cui competono rispettivamente il 92 % e l’8
% dell’area totale del Bacino Ovest.
Alla luce di tutte le indicazioni e considerazioni precedenti, pertanto, i valori delle portate da drenare, calcolati in funzione delle superfici di riferimento, sono riassunti nella tabella seguente:
Apporti idraulici
Superficie scolante S(Kmq) Portata Q (mc/s) Portata Q (l/s) Bacino EST
Collettore EST
2,0 4,31 4310
Bacino OVEST Collettore OVEST
1,8 3,87 3210
Collettore OVEST 2
0,14 0,30 300
Portata totale QmavOVEST
1,8 4,17 4170
Verifica idraulica delle condotte
I collettori di drenaggio e vettoriamento delle acque superficiali, precedentemente menzionati, sono costituiti da tubazioni in polipropilene, aventi classi di rigidezza 16 KN/mq, ed è caratterizzata da funzionamento idraulico a pelo libero, con comportamento, pertanto, come un canale a superficie libera.
Si suppone, cioè, che il deflusso sia quello di un canale a sezione circolare e che l’acqua dovuta dall’apporto meteorico, bagni solo una parte della tubazione.
Per le verifiche ed i calcoli idraulici, si usa, quindi, la seguente formula di Chézy, valida per correnti a pelo libero, in condizioni di moto uniforme:
v = R½ i½ , dove:
v rappresenta la velocità media del fluido;
rappresenta un coefficiente di conduttanza dipendente da:
- scabrezza omogenea equivalente, (mm);
- numero di Reynolds, Re;
- coefficiente di forma del canale, (uguale ad 1 per la sezione circolare);
R rappresenta il raggio idraulico definito come rapporto tra la superficie della sezione del flusso, A, ed il contorno dello stesso che tocca il canale, P;
i rappresenta la pendenza della condotta.
Nel caso in oggetto, la sezione è una parte del cerchio, e, quindi, si avrà:
- A = ½ r 2 /90°) arccos(1-h/r)sin2 arccos(1 - h/r;
- P = r /90°) arccos(1h/r);
- B = r 2 sin arccos(1h/r.
In generale, la forma della funzione è data da (Colebrook - Marchi), mediante la espressione seguente:
= 5,7 log(/ Re/13,3R)
Nel caso di moto assolutamente turbolento, l'espressione si semplifica in varie formule empiriche, di cui le più usate per sono quelle di:
a) Bazin: B = 87/(1+/R½);
b) Gauckler- Stricker: GS = KS R
1/6
,
dove e KS sono dei parametri legati alla scabrezza della canalizzazione.
Si ha, quindi,:
- vB (Bazin) = B R½ i1/2; - vGS (Gauckler- Stricker)= GS R½ i1/2.
I valori dei parametri di scabrezza, (, KS,), presenti nelle formule di moto uniforme vanno assegnati sulla base della natura, dello stato di conservazione e di impiego del materiale costituente la tubazione della condotta.
Le scabrezze omogenee equivalenti (della formula di Colebrook - Marchi) che, in condizioni di canalizzazione nuova, assumono valori dipendenti dal tipo di materiale, ma comunque contenuti nell'ordine di
qualche frazione di millimetro ( = 0,02 ÷ 0,10 mm), dopo pochi giorni di uso possono assumere valori di qualche millimetro, dipendentemente dal tipo di materiale e dalle velocità di flusso che hanno interessato la canalizzazione.
Per quanto concerne il coefficiente di scabrezza di Gauckler - Stickler, ks, si è utilizzato il valore 120 m1/3/s-1, relativo ai materiali plastici.
Gli apporti idraulici, calcolati nel paragrafo precedente consentono di verificare i tre collettori principali in cui è organizzata la raccolta delle acque di ruscellamento superficiale.
Lo schema ed il dimensionamento del sistema di raccolta delle acque di ruscellamento superficiale è desumibile dall’ elaborato del progetto definitivo n.12, avente per oggetto “Planimetria di progetto su ortofoto a colori”, i cui dati di progetto sono indicati nelle tabelle seguenti.
Le portate di progetto saranno collettate, da tubazioni in polipropilene, aventi classi di rigidezza 16 KN/mq, di diametro variabile dal 800 mm al 1200 mm.
I parametri di progetto, alla luce delle considerazioni e valutazioni dei paragrafi precedenti, risultano essere quelli di seguito indicati in forma tabellare:
PARAMETRI DI PROGETTO tipologia
tubazione
diametro tubazione - DN(mm)
pendenza minima condotta (m/1000m)
Portata massima (m3/s - %)
P.P. (classe di rigidità SN 16 kN/m2)
1200 6,0 4,6 - 80%
P.P. (classe di rigidità SN 16 kN/m2)
800 6,0 1,56 - 80%
Si perviene, pertanto, ai risultati di calcolo di seguito riportati, relativi alle velocità di deflusso corrispondenti alle portate di progetto.
La verifica delle velocità di flusso, è stata effettuata utilizzando la formula menzionata in premessa v = R½ i½, con ovvio significato dei simboli.
VERIFICA VELOCITÀ DI DEFLUSSO pendenza
(m/1000m)
Portata di progetto m3/s
velocità massima (m/s)
(da Gauckler – Stickler)
riempimento massimo (%)
Collettore EST (DN 1200 mm)
6,0 4,31 4,73 75,5
Collettore OVEST 2 (DN 800 mm)
6,0 0,30 2,44 30
Collettore OVEST (DN 1200 mm)
6,0 3,87 4,65 69
Collettore OVEST (DN 1200 mm)
tratto terminale dopo la confluenza con il Collettore OVEST 2
6,0 4,17 4,70 73,2
L’analisi dei dati delle tabelle precedenti evidenzia che il diametro di progetto delle tubazioni, in funzione della relativa pendenza, risultano adatti, dal punto di vista idraulico, alle esigenze del caso, poiché presentano, in sede di esercizio, un grado di riempimento (h/d), inferiore al 80%, e velocità di flusso inferiori ai 5.00 m/s, valore massimo suggerito dalla letteratura tecnica scientifica di settore per evitare fenomeni di erosione dei materiali delle tubazioni.
Trattamento primario delle acque di prima pioggia
Il collettamento delle acque meteoriche di prima pioggia alla destinazione ultima, avverrà solo successivamente ad un trattamento di chiarificazione primaria, consistente, specificamente, nelle fasi di:
- grigliatura;
- dissabbiatura;
- sedimentazione dei solidi sospesi;
- flottazione di oli ed idrocarburi.
Le principali sostanze inquinanti legate al transito veicolare, infatti, derivano dall’abrasione del manto stradale, delle gomme, dei ferodi dei freni, da perdite di liquidi, dalle emissioni di gas combusti, da perdite di merci trasportate, da rifiuti e materiali vari gettati sul manto di superficie e trasportate, in occasione degli eventi meteorici, in sospensione o soluzione, direttamente al recapito finale.
La caratterizzazione dei carichi inquinanti presenti nelle acque drenate e la particolare geometria dei sistemi che ne caratterizzano il trasporto, costituiti da brevi tratti di superficie e tempi ridotti di contatto, consentono, in ogni caso, di trascurare l’aliquota delle sostanze disciolte, e di correlare i carichi inquinanti alla sola matrice dei solidi sospesi.
Il dispositivo previsto nel presente progetto definitivo per la chiarificazione primaria è costituito da un manufatto modulare da interro, realizzato in polietilene, con funzionamento in continuo, come desumibile dall’elaborato grafico n. 18, avente ad oggetto “Particolari costruttivi vasche per il trattamento delle acque di prima pioggia”, idoneamente dimensionato per svolgere la funzione di grigliatura,
dissabbiatura, sedimentazione dei solidi sospesi e flottazione di oli ed idrocarburi.
In particolare, il predetto dispositivo di chiarificazione primaria è articolato in:
- un'unica vasca modulare, rinforzata mediante nervature verticali ed orizzontali, in polietilene;
- pozzetto di testa, compartimentato all’interno, con funzione, anche, di regolazione della portata in ingresso;
- pozzetto terminale, con funzione di raccolta e smaltimento delle portate chiarificate in uscita e di quelle, eventualmente, scolmate dal pozzetto di regolazione di testa.
La prima vasca del dispositivo di chiarificazione ha la funzione di calma e di sedimentazione, dove ha luogo, cioè, una prima decantazione delle sostanze pesanti e grossolane dalle acque di piattaforma, contenenti residui oleosi minerali.
Nella vasca successiva, invece, avviene la funzione di separazione degli oli e degli idrocarburi per flottazione, oltre ad un’ulteriore decantazione dei fanghi leggeri, inoltre, è dotata di un filtro a coalescenza, con sistema di pulizia di tipo pneumatico, collocato all’imbocco della tubazione di uscita, e posizionato sul fondo, in modo tale che le portate chiarificate seguano il tragitto più lungo possibile.
La tubazione di uscita sarà posta a profondità tale da evitare che la sostanza flottante, costituita da oli e sedimenti ancora in sospensione, possa essere convogliate e recapitate al recettore finale.
Le acque meteoriche trattate, saranno quelle attese dall’evento definito di prima pioggia, caratterizzato dal tempo di ritorno prescelto, ed equivalente ai primi 5 mm di pioggia precipitata al suolo, od,
alternativamente, ai primi 15 minuti della durata dell’evento, così come consigliato dalla letteratura scientifica di settore, dalla Legge Regionale della Lombardia n. 26/2003 e s.m.i. e dalla Deliberazione di Giunta Regionale dell’Emilia Romagna n. 286/2005, che dettano i criteri e gli indirizzi generali, universalmente riconosciuti, per la protezione delle aree sensibili da fonti di inquinamento puntuale.
Il trattamento delle acque di prima pioggia avverrà tramite i dispositivi innanzi menzionati, secondo le indicazioni desumibili dall’elaborato grafici di progetto n. 18, innanzi menzionato, a cui vengono convogliate tutte le acque drenate dalle piattaforme stradali e dalle aree pavimentate, attraverso le condotte di collettamento, in un sistema cosiddetto “chiuso”.
Metodologia di dimensionamento e criteri di trattamento delle vasche di prima pioggia
L’afflusso meteorico precipitato sulla piattaforma stradale, viene raccolto, tramite le caditoie di intercettazione, e convogliato, mediante le condotte di collettamento, in direzione del pozzetto di testa del dispositivo di trattamento primario, dove arriva la globalità delle portate di ruscellamento.
Il pozzetto di regolazione è dotato di una bocca tarata a stramazzo, che consentirà il transito delle acque drenate al ciclo di trattamento, fino ad una portata imposta (primi 5 mm di pioggia precipitata al suolo, o, in alternativa, primi 15 minuti della durata dell’evento), derivante dalla superficie del bacino afferente, con le portate eccedenti che saranno sfiorate a valle dell’impianto, direttamente nel recapito finale.
Le portate sfiorate sono da considerarsi non inquinati, per effetto dell’elevato grado di diluizione raggiunto nella fase di sfioro, ed, in
ogni caso, saranno sottoposte, sempre, ad un trattamento primario di grigliatura.
La portata trattata rappresenta la portata nominale di funzionamento dell’impianto di chiarificazione, ed è inferiore alla portata massima meteorica precipitata al suolo, che viene convogliata tramite le condotte di collettamento al pozzetto di regolazione.
Il pozzetto di regolazione permette il transito della sola portata nominale al ciclo di trattamento, sfiorando a valle dell’impianto, direttamente nel recapito finale, la portata massima meteorica.
Il dispositivo, quindi, consente il trattamento in continuo di una portata per tutto il tempo necessario all’esaurimento dell’evento meteorico, e non già del solo volume di prima pioggia caduto nei primi 15 minuti.
Il dispositivo di trattamento primario permette di abbattere il carico inquinante delle acque captate dalla superficie stradale, contenenti solidi sospesi e oli od idrocarburi, in modo che le stesse possono essere, poi, restituite chiarificate al recapito finale.
I materiali inquinanti intercettati dalla griglia nel pozzetto di testa ed i fanghi della fase di sedimentazione dovranno essere raccolti e trasferiti, in sede di esercizio ordinario, in discariche autorizzate di rifiuti.
I criteri di dimensionamento delle vasche di prima pioggia si basano su una metodologia strettamente quantitativa che viene di seguito specificata.
Il dimensionamento delle vasche è stato eseguito imponendo due ipotesi progettuali principali:
la velocità V di traslazione longitudinale dell’acqua nelle vasche, e con essa il materiale solido trasportato, è
inferiore ai 3,00 cm/s, al fine di evitare che il materiale già sedimentato venga rimesso in movimento;
il diametro medio della particella D, che si vuole far sedimentare, è pari a 0,5 mm.
In base alla seconda ipotesi viene calcolata la velocità di sedimentazione, in cm/s, delle particelle immerse nell’acqua, secondo la nota formula di Stokes:
dove:
g rappresenta l’accelerazione di gravità in cm/s2;
γs rappresenta il peso specifico relativo dei solidi sospesi, che, come consigliato dalla letteratura scientifica di settore, si assume pari a 1,44 Kg/dm3 ;
w rappresenta il peso specifico relativo dell’acqua, pari a 1,00 Kg/dm3;
D rappresenta il diametro della particella, pari a 0,5 mm;
μ rappresenta la viscosità cinematica dell’acqua in centistokes, pari a 0,001 Ns/m2, con temperatura del fluido pari a 20°C.
Imponendo l’uguaglianza tra la velocità di sedimentazione di Stokes ed il carico superficiale, si può determinare in funzione della portata da trattare, la superficie utile della vasca, ottenendo, quindi:
s w 2
s
D 8
, 1 v g
vs = Q/S = Cis
dove:
Q rappresenta la portata da trattare nella vasca di sedimentazione;
S rappresenta la superficie della vasca di sedimentazione;
Cis rappresenta il “carco superficiale”, che, per fognature separate, viene posto minore od uguale a 17,00 m3/h, come consigliato dalla letteratura scientifica di settore.
All’interno della vasca saranno trattenute tutte le particelle con velocità di sedimentazione pari o superiore al carico superficiale, mentre le particelle con vs inferiore saranno trattenute solo in parte.
Con portate inferiori, evidentemente, la vasca incrementa la propria capacità di trattamento.
La verifica della capacità epurativa delle vasche, è avvenuta tramite il controllo del tempo di percorrenza del fluido all’interno del sedimentatore, rispetto, ai tempi di sedimentazione delle particelle sedimentabili.
Si è calcolato, cioè, il tempo che l’acqua impiega a uscire dal sedimentatore, percorrendo il tratto più breve, trascurando gli effetti di prolungamento del percorso derivante dalla presenza dei setti verticali, che hanno la funzione di trattenere gli olii, e confrontandolo con il tempo di sedimentazione consigliato dalle normative di settore, è stato verificato che fosse superiore ai 5 minuti.
Al fine di evitare che le particelle depositate sul fondo del sedimentatore vengano risollevate in prossimità dei setti verticali, si
è, inoltre, verificato che la velocità di traslazione, in corrispondenza della luce libera dei setti, risultasse inferiore al limite superiore delle velocità di sedimentazione, garantendo la permanenza delle particelle sedimentate anche nelle sezioni ristrette presenti sotto i setti verticali.
