UNIVERSITA’ DI PISA
FACOLTA’ DI INGEGNER
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Idraulica, dei
Trasporti e del Territorio
“ANALISI E MODELLAZIONE DELLA RETE FOGNARIA DEL
CENTRO STORICO DI
Relatore:
Prof. Renato Iannelli
Ing. Michele Palermo
Ing. Matteo Masi
UNIVERSITA’ DI PISA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Idraulica, dei
Trasporti e del Territorio
Tesi di Laurea Magistrale
“ANALISI E MODELLAZIONE DELLA RETE FOGNARIA DEL
CENTRO STORICO DI LIVORNO PER LA GESTIONE DELLE
ACQUE PARASSITE”
Tesi di:
Alessandro Vichi
A.A. 2016/2017
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Idraulica, dei
“ANALISI E MODELLAZIONE DELLA RETE FOGNARIA DEL
LIVORNO PER LA GESTIONE DELLE
Tesi di:
1
2
INDICE
PREMESSA ……… pag. 3
CAPITOLO 1
LE ACQUE PARASSITE ……….. pag. 4 1.1 Introduzione ………. pag. 4 1.2 Trattazione teorica delle portate parassite ……… pag. 10 1.3 Complessità del problema ……… pag. 13 1.4 La pianificazione degli interventi ………. pag. 15 1.4.1 Fase conoscitiva ……….. pag. 16 1.4.2 Monitoraggio ………... pag. 20 1.4.3 Risanamento ……… pag. 23 1.5 Generalità sulla programmazione e manutenzione delle reti ………... pag. 24 1.6 Generalità sui moderni interventi di risanamento delle reti – Trenchless
Technology ………... pag. 28 Bibliografia ……….. pag. 38
CAPITOLO 2
IL SOFTWARE EPA SWMM ………... pag. 40 2.1 Introduzione ………. pag. 40 2.2 Descrizione di SWMM ……… pag. 40 2.3 Modello a oggetti di SWMM ………... pag. 43 2.4 Descrizione dei blocchi di SWMM ……….. pag. 44 2.5 Processi idrologici ……… pag. 46 2.6 Base matematica ed equazioni del codice ……… pag. 51 Bibliografia ……….. pag. 58
CAPITOLO 3
STUDIO DELLE ACQUE PARASSITE MEDIANTE ANALISI E
MODELLAZIONE DELLA RETE ……… pag. 59
3.1 Introduzione ………. pag. 59 3.2 Definizione della geometria della rete ………. pag. 60 3.3 Raccolta dei dati relativi al deflusso nella zona di chiusura ……… pag. 66 3.4 Raccolta dei dati pluviometrici ……… pag. 67 3.5 Analisi ed elaborazione dei dati ………... pag. 72 3.5.1 Dati di deflusso e dati pluviometrici ………. pag. 72 3.5.2 Stima della dotazione idrica media procapite e parametri
connessi ………. pag. 79 3.6 Modellazione della rete mediante il software EPA SWMM ……… pag. 81 3.6.1 Modalità e parametri utilizzati per la modellazione della rete ….. pag. 81 3.6.2 Scelta degli afflussi di acque nere nelle singole condotte ………. pag. 83 3.7 Verifica della rete in tempo asciutto ………. pag. 89 3.8 Modellazione mediante il software SWMM del comportamento della rete
in presenza di pioggia ……….. pag. 94 3.9 considerazioni finali sui risultati del modello ……….. pag. 108
CAPITOLO 4
3
PREMESSA
Le acque parassite all’interno delle reti di drenaggio urbano costituiscono una problematica che spesso può assumere connotati di estrema gravità. Queste acque comportano infatti notevoli difficoltà nella gestione delle reti fognarie e, nel peggiore dei casi, gravi problematiche di carattere ambientale connesse ad una diminuzione dell’efficienza degli impianti di depurazione.
Il presente lavoro costituisce la prima fase di uno studio più ampio avente ad oggetto l’intera rete fognaria della Città di Livorno da svilupparsi nell’ambito di una apposita collaborazione tra il gestore della rete A.S.A. S.p.a. ed il Dipartimento DESTEC dell’Università di Pisa.
In particolare lo studio eseguito ha ad oggetto l’analisi dell’entità e della natura delle acque parassite che si generano in tempo di pioggia all’interno della rete fognaria nera a servizio di una porzione del centro storico di Livorno.
La suddetta analisi è stata condotta attraverso la realizzazione di un modello digitale della rete esaminata 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) analizzando i deflussi registrati nella sezione di chiusura del bacino in esame durante una serie di eventi di pioggia.
4
CAPITOLO 1
LE ACQUE PARASSITE
1.1 Introduzione
Si indicano con il termine portate parassite (in inglese I/I, abbreviazione di Inflow/Infiltration, testualmente afflusso/infiltrazione), quelle acque che si infiltrano ed entrano all’interno di una rete fognaria da punti non previsti, generando di conseguenza portate che si sommano alle portate ordinarie di servizio della rete. La parola utilizzata nel linguaggio tecnico anglo-sassone in realtà spiega il fenomeno delle portate parassite mediante i due aspetti che lo originano: l’infiltrazione e l’afflusso.
fig.1.1 - Rappresentazione delle principali situazioni in cui abbiamo fenomeni di Inflow/Infiltration1
5 L’infiltrazione si verifica quando le acque sotterranee entrano nel sistema fognario attraverso crepe, fori, connessioni difettose o altre aperture presenti sulle condotte o sui pozzetti; si può dire genericamente che sono acque sotterranee che entrano nei sistemi sanitari attraverso punti di rottura e di debolezza della rete. Le fessure o le perdite nei tubi o nei pozzetti di fognatura sanitaria possono essere causati da deterioramento legato all'età, dalla tenuta dei giunti, da errori di installazione o manutenzione, danni o penetrazioni di radici. Da tutti questi elementi di discontinuità le acque possono entrare, sia a seguito di eventi di pioggia che per la presenza di acque di falda. Può anche capitare che il terreno sopra i sistemi fognari si saturi di acqua proveniente da altri sottoservizi; questo ultimo aspetto può capitare molto spesso perché i tubi fognari sono sempre il servizio di rete più profondo rispetto alle fognature bianche e agli acquedotti. Da notare che una volta che si verifica una apertura sugli elementi della rete, questa funziona da drenaggio per il terreno circostante, creando effetto di richiamo con lo svilupparsi di percorsi preferenziali di spostamento delle acque; conseguenza di questo è un peggioramento continuo dell’effetto di infiltrazione.
L'afflusso si verifica invece quando l'acqua di superficie, come quella di un evento atmosferico, entra nel sistema fognario attraverso i collegamenti di scarico del tetto, i fori nelle coperture dei pozzetti, collegamenti idraulici illegali o altre situazioni. Quindi si può dire che le acque che rientrano nell’”Inflow” sono acque che entrano nella rete attraverso canali di afflusso connessi direttamente al sistema di smaltimento reflui. Diverse fonti contribuiscono all'”inflow”, incluse le condotte dei dreni di fondazione degli edifici, gli scarichi delle gronde dei tetti, gli allacci di scarichi abusivi, gli scarichi da scantinati o scannafossi, scarichi da bocche di lupo dei vialetti, pozzetti connessi alla rete, etc. Queste fonti sono tipicamente collegate in modo improprio o illegale ai sistemi di fognatura sanitaria; un collegamento illegale consente l'ingresso di acqua, spesso meteorica, all’interno del sistema fognario sanitario, invece di essere convogliata all’interno delle rete di raccolta delle acque bianche o lasciata infiltrarsi nel terreno.
Nella figura 1.2 è possibile vedere la suddivisione dei fenomeni appena descritti. Da notare che l'acqua di influsso e di infiltrazione è chiamata in inglese "clear water", ossia acqua limpida (anche se può essere sporca) per distinguerla dalle normali acque di scarico sanitarie nel sistema fognario.
6
fig. 1.2 - Suddivisione dei flussi di Inflow e di Infiltration2
Il fenomeno delle acque parassite comporta una serie di aspetti negativi. Di seguito si espongono quelli maggiormente rilevanti.
Riduzione della capacità del sistema fognario
Il sistema fognario, specie se separato, è dimensionato attraverso una portata di progetto che fa riferimento al numero di utenze e di attività servite, con portate stabilite in base alla dotazione idrica pro-capite e all’effetto delle richieste nell’ora di massimo consumo. I collettori, che sono dimensionati per quelle portate, non sono in grado di far defluire una portata di ordine di grandezza nettamente superiore come quella dovuta alle piogge; la conseguenza immediata è il funzionamento in pressione della linea che può far fuoriuscire le acque reflue nell’ambiente circostante, e sollecitare eccessivamente i giunti di collegamento delle tubazioni, fino a comprometterne la tenuta stagna.
Nel lungo periodo le previsioni sono ancora più gravose in quanto l’aumentare del numero delle utenze servite va ad incrementare ulteriormente il carico a cui è sottoposta la fognatura.
2 © King County, WA-2017
7
fig. 1.1 -- Fuoriuscita di acque reflue dai tombini di fognature nere3
fig. 1.4-- Infiltrazione all'interno del pozzetto4
Riduzione del rendimento delle opere idraulico/sanitarie
In presenza di acque parassite le opere di trattamento delle acque reflue ricevono acque fortemente diluite con un carico inquinante nettamente diverso da quello per cui sono state progettate, comportando quindi dei rendimenti di trattamento non soddisfacenti. Inoltre non tutti gli impianti sono tali da trattare un volume d’acqua che si verifica durante l’evento di pioggia, poiché progettati per volumi d’acqua
3 © EDS 17 Indy Court Carrara QLD4211 Australia 4 © EDS 17 Indy Court Carrara QLD4211 Australia
8 nettamente inferiori. Ad esempio, l’impianto di smaltimento Metro Plant di St. Paul, Minnesota riceve tipicamente 200 milioni di galloni (760.000 mc al giorno) al giorno di acque reflue dai suoi sistemi di fognatura sanitaria; durante una tempesta di pioggia il carico sui sistemi fognari può triplicare a 700 milioni di galloni (2 milioni e mezzo di mc) o più.5
Costo del Servizio
Il problema di un tale disservizio si ripercuote direttamente sulle utenze, in quanto la necessità di intervenire ripetutamente per i problemi creati dal fenomeno di Inflow/Infiltration si ripercuote sui costi di gestione delle aziende che gestiscono il servizio idrico; la diretta conseguenza è l’aumento della tariffa a carico degli utenti.
Le acque parassite, come già detto, comportano grandi spese di gestione del trattamento dell'acqua: tutte le acque che entrano in un impianto di trattamento dell'acqua devono essere trattate come acque reflue, causando un aumento dei costi di esercizio proporzionale alla quantità di acqua pulita che entra nel sistema fognario per l'afflusso e l'infiltrazione.
Inoltre ci sono dei costi indiretti ossia associati alla pulizia delle vie pubbliche e dei corsi d’acqua, che devono comunque essere ripristinati ad una situazione di salubrità; i privati devono far fronte anche ai riflussi dei reflui nei seminterrati, provocando contenziosi fra gli stessi utenti privati o fra questi e le amministrazioni.
Rischi per la salute
Gli eventi di fuoriuscita dei reflui mettono a rischio la salute pubblica e violano le normative ambientali statali. Le acque provenienti da fognature sanitarie rilasciano potenziali agenti patogeni sulle strade, nei corsi d'acqua e nei terreni aumentando i rischi per la salute. Questa acqua contaminata può confluire all’interno di spazi abitati, sia pubblici che privati, oppure può andare a contaminare ambienti naturali quali corsi d’acqua o terreni di falda; nel caso dei mari, ad esempio, può portare alla emissione di ordinanze di divieto di balneazione oppure di chiusura delle spiagge a causa della contaminazione. Un grande pericolo è costituito dalle presenza di virus e batteri, che causano malattie come epatite virale, salmonellosi e tifo.
5 YORK REGION INFLOW & INFILTRATION REDUCTION STRATEGY – Annual Report march
9 .
fig. 1.5 – Scarichi di acque reflue su corpi idrici superficiali6
Danni ambientali
Le acque parassite possono creare danni alle proprietà private o pubbliche, a beni mobili e immobili. I reflui comportano una dispersione di agenti patogeni e nutrienti che normalmente nell’ambiente naturale non sono presenti, e soprattutto non nelle concentrazioni caratteristiche di un refluo urbano.
Inoltre, è molto preoccupante il fatto che possano essere scaricati in acqua sostanze non biodegradabili o contenenti fosfati. Queste sostanze, che assai sovente si vedono ricoprire con uno spesso strato schiumoso intere superfici d'acqua, per la loro complessa struttura chimica a catene ramificate, difficilmente vengono aggrediti e degradati dai batteri in composti più semplici o meno nocivi. Conseguenza gravissima, oltre all'estendersi di larghi strati superficiali di materie in decomposizione, con relativi miasmi e colorazioni varie, è la diffusione di batteri e virus e l'assorbimento di questi microrganismi patogeni da parte di molluschi destinati all'alimentazione (quali mitili, ostriche e altri lamellibranchi eduli) e allevati in prossimità di sbocchi di scarichi con conseguente pericolo di gravi epidemie.
10
1.2 Trattazione teorica delle portate parassite
In relazione ai problemi che possono determinare all’interno delle reti fognarie, le acque parassite si dividono in due grandi categorie:
• Portate da Acque Superficiali: che giungono in rete durante i periodi di pioggia e si annullano nei periodi di tempo asciutto;
• Portate da Acque di Falda: di solito poco o nulla variabili nel tempo, nel caso di fognature sottoposte alla falda idrica.
La presenza di acque parassite comporta, come si è già visto, un aumento della portata che deve essere trattata dall’impianto di depurazione e, nel contempo, una diluzione del carico biologico del liquame, a discapito dell’efficienza dei vari processi. Pertanto le portate del secondo tipo devono essere ridotte il più possibile nelle reti per acque nere e miste, provvedendo a realizzare fognature con giunti a perfetta tenuta, e, se necessario, ricorrendo a sistemi di fognatura separata.
Acque parassite presenti unicamente nei periodi piovosi
Queste acque possono giungere in fogna:
• Attraverso i chiusini di accesso ai diversi manufatti inseriti lungo la rete. • A causa della immissione, non prevista in progetto, delle acque che in tempo
di pioggia pervengono dai piani interrati degli edifici nella fognatura nera, che di norma è posta a profondità maggiore rispetto al piano stradale della fogna bianca e, quindi, consente un più facile attacco.
• A causa delle perdite da parte della rete di drenaggio delle acque pluviali drenate dalla sottostante rete nera, quando non sono a tenuta i giunti dell’una e dell’altra parte.
Per quanto riguarda l’entità delle portate che possono infiltrarsi in fogna per ognuna di queste cause sono stati eseguiti numerosi test e misure su reti fognarie esistenti.
Riferendosi alla prima delle cause suddette, Rawn [Rawn, 1937] nel 1937 sottopose diverse tipologie di chiusini a carichi idraulici variabili ritrovando, per il carico standard di 1 pollice valori di portate variabili da 76 l/min a 265 l/min. Queste esperienze aiutano a conoscere le portate che possono giungere in fogna attraverso i chiusini considerando una relazione lineare tra portata e la radice quadrata dell’altezza del velo idrico che si forma sulla superficie stradale.
11 A proposito delle perdite da parte della rete delle acque bianche, Balmér e Backman [Balmér e altri, 1981] riferiscono addirittura di fogne bianche svedesi trovate perfettamente asciutte durante i periodi piovosi.
Gli scarsi dati presenti in bibliografia danno solo una indicazione del problema e non possono costituire un parametro di riferimento, in quanto strettamente legati alle caratteristiche delle reti da cui sono stati dedotti. Tuttavia evidenziano l’importanza della necessità, in fase progettuale di costruzione e di gestione della rete, di porre in essere tutti quegli accorgimenti atti ad evitare o ridurre immissioni non previste (particolare cura nella posa in opera dei vari pozzetti, controlli diretti a evitare immissioni abusive, particolare cura nella progettazione ed esecuzione dei giunti, ecc.).
Acque presenti durante tutto l’anno
Queste acque sono presenti all’interno della fogna essenzialmente a causa del drenaggio che questa esercita sulla falda all’interno della quale è posta. Il drenaggio avviene attraverso i giunti di linea non perfettamente impermeabili o, addirittura, sfilati, le lesioni delle tubazioni, in corrispondenza di innesti realizzati non a regola d’arte tra tubazione e manufatti, le rotture della rete, ecc.
Ovviamente questo tipo di drenaggi non può che essere di natura accidentale. Può verificarsi anche il caso in cui le acque di drenaggio della falda o provenienti da canali di bonifica o rogge, siano immesse in fogna intenzionalmente. In quest’ultimo caso non si potrà parlare di acque parassite e tali portate dovranno essere immesse nella rete bianca, che andrà opportunamente proporzionata.
È evidente che le portate parassite aumentano notevolmente all’aumentare del carico di falda sulla fogna così come al diminuire della manutenzione a cui quest’ultima viene sottoposta. Pertanto risulta difficile estendere i numerosi risultati riportati in letteratura ricavati dalle esperienze condotte su varie realtà urbane in situazione del tutto differenti.
Santry [Santry, 1964] nel 1964 effettuò prove su tubazioni da 150 mm in cemento e in gres giuntate con diversi tipi di giunto e sottoposte, dall’esterno, a carichi idraulici variabili tra 7,6 e 68,6 cm di colonna d’acqua e ritrovò le portate di infiltrazione riportate nella tabella 1.1 per mm di diametro di condotta. Come è ovvio detti valori prescindono dalle modalità di posa in opera e quindi servono solo a indicare l’idoneità maggiore o minore di ciascuno dei giunti considerati.
12 In Australia [Murray, 1987] adottando particolari cautele in fase di progettazione quali l’adozione di giunti il più possibile elastici, l’esecuzione di una buona sigillatura dei pozzetti, non solo tra copertura e pareti ma soprattutto tra queste e la platea di base, e impedendo, in fase di gestione, innesti difettosi o addirittura illeciti, si è riusciti a far scendere i valori della portata parassita dai 1.140 e 13.650 l/(ha·d) ammessi dalla normativa lì vigente, per reti rispettivamente al di sopra e al di sotto del livello di falda, ai valori, misurati in due reti diverse, l’una tutta al di sopra e l’altra quasi completamente al di sotto della falda, di 800 e 5.200 l/(ha·d) rispettivamente.
Tipo Di Giunto Q [l/(s · km · mm)]
Tubazioni in Cemento Tubazioni in Gres
Juta 0,0074-0,306 0,0091-0,392 Malta cementizia 0,00075-0,024 0,0032-0,0586 Bituminosa a freddo 0,0019-0,0086 Bituminoso a caldo 0-0,00056 0,00147-0,00609 Anello di gomma 0 PVC 0-0.0026
Tab. 1.1: Portate drenate dai diversi tipi di giunto [Santry, 1964].
Tutto ciò premesso, nella tabella 1.2 si riportano alcuni valori delle portate parassite dei due tipi, da adottare in progetto, quali si deducano da Murray [Murray, 1987]. Ovviamente detti valori suppongono che siano stati adottati, in fase di progettazione e di costruzione, tutti gli accorgimenti atti a limitare dette portate e che, però, a causa del trascorrere del tempo, nella vita della rete dette portate diventino inevitabili (ad esempio le normative australiane ammettono che durante la vita utile della rete le portate parassite possono aumentare fino al 50% del valore iniziale).
13 Tipo di Sottosuolo Posizione della fognatura rispetto alla falda Q [l/(s · km · mm)] Portate presenti solo nei periodi piovosi Portate presenti tutto l’anno Totale Argilla Sopra 28 1,1 29,1 Argilla Sabbiosa Sopra 22 1,1 23,1 Sabbia Argillosa Sopra 17 1,1 18,1
Rocce Sciolte Sopra * 1,1 *
Tutti sotto 11 6,5 17,5
*Variabile a seconda della componente predominante
Tab. 1.2: Valori delle portate parassite da adottare in progetto quali si deducono da Murray, 1987.
Nella trattazione di Velzy [Velzy, 1955] sono riportati i valori delle portate parassite globali proposti da alcune amministrazioni comunali o da studi di ingegneria negli USA. Detti valori variano da 0,000165 a 0,034 l/(s·km2) per mm di diametro, ma non viene mai specificato il materiale della tubazione né il tipo di giunto, indicando solo che questo deve essere o in materiale bituminoso versato a caldo o in materiale elastico.7
1.3 Complessità del Problema
L’eliminazione totale del fenomeno delle acque parassite (Inflow/Infiltration) da qualsiasi sistema fognario esistente è da considerarsi, nei fatti, praticamente impossibile. I motivi per cui trova credito una simile affermazione sono descritti di seguito.
Caratteristiche Intrinseche delle opere
L’ostacolo principale all’eliminazione delle acque parassite risiede nelle caratteristiche intrinseche dell’opera, in particolar modo nella sua non visibilità e non accessibilità. Molte parti della struttura sono al di sotto del piano di campagna, e quindi invisibili per un controllo diretto, per cui risulta praticamente impossibile
14 tenere sotto osservazione la struttura, se non quando il problema si presenta. La stessa considerazione può essere estesa anche agli elementi di allaccio delle utenze private, degli elementi di intersezione e immissione, etc.
Inoltre bisogna considerare le dimensioni rilevanti delle normali reti: si pensi che, in Toscana Acquedotto del Fiora gestisce circa 3.000 km di fognatura, e che ASA ne gestisce circa 1.229 km di condotte. Negli Stati Uniti si stima che siano posati circa 1,2 miliardi di metri di tubazioni fognarie sanitarie (questa stima non comprende "sistemi di fognatura combinati" che servono sia come sistema di fognatura sia bianco che sanitario).
Vetustà delle opere
Quando il tessuto urbano risulta essere consolidato, buona parte della rete presente a servizio può risultare spesso attiva da oltre cinquanta d’anni, a meno di eventuali interventi sanatori fatti dall’amministrazione pubblica. Considerato che i tubi di fognatura sono progettati per durare circa 25-50 anni, a seconda del tipo di materiale utilizzato, è evidente che in condizioni “normali” una rete lavora a regime in condizioni di raggiunta vita utile. Sono da considerarsi pertanto fisiologiche rotture e criticità varie che danno luogo all’esistenza di acque parassite. I tubi del sistema fognario sanitario, infatti, così come i tubi di allaccio delle utenze, presentano in realtà una vita nettamente maggiore di quella di progetto, senza neppure essere soggetti, nella maggior parte dei casi, a qualsivoglia ispezione.
Illegittimità
La maggior parte delle opere che interessano gli allacci alla pubblica fognatura non sono note nella loro complessità ed inoltre molto spesso presentano caratteri di illegittimità, in quanto non regolarmente denunciate oppure realizzate in maniera difforme dalle autorizzazioni concesse. Ciò è imputabile sicuramente ad una condotta (dolosa o colposa) delle utenze, ma anche al continuo cambio di gestione delle opere e degli enti che se ne sono occupati nel corso del tempo; questi hanno operato in vari fasi dello sviluppo urbano delle città e non sempre hanno permesso una gestione continua nel tempo.
Politica
15 programma di risanamento delle strutture, garantendo un continuum programmatico nel tempo, al fine di spostare l’azione di gestione non nell’attimo in cui si verifica il guasto ma in un tempo precedente, anticipando quindi le situazioni d’emergenza con interventi di prevenzione. Risulterebbe fondamentale per la soluzione della problematica delle acque parassite, infatti, una diffusione di una opportuna cultura di prevenzione tra i singoli cittadini, le Amministrazioni pubbliche e gli Enti gestori.
Una simile politica comporterebbe certamente, nel lungo/medio periodo, la diminuzione dei costi connessi alla gestione del servizio idrico integrato e la possibilità di garantire una condizione di funzionamento più stabile nel tempo del servizio.
1.4 La pianificazione degli interventi
Come si è già detto, la riduzione del fenomeno delle portate parassite nei sistemi di fognatura sanitaria può essere affrontato solo attraverso un programma disciplinato e di lungo periodo sul monitoraggio e la manutenzione delle reti. L’insieme degli interventi di separazione delle rete fognarie in bianche e nere, il risanamento e l’adeguamento dei collettori, lo sviluppo di nuovi standard di progettazione, fanno parte di azioni riconducibili ad una cultura di prevenzione.
Le fasi sulla quale si basa l’azione di prevenzione sono le seguenti: • Fase Conoscitiva
• Monitoraggio • Risanamento
• Programmazione e Manutenzione
In realtà la fase conoscitiva e il monitoraggio sono strettamente legati fra loro e non sempre sono in questo ordine: può capitare che lo studio sia preceduto da una fase in cui si vuole capire la natura e l’entità del problema e successivamente da un monitoraggio dello stesso, oppure la rete può essere già oggetto di un’attività di monitoraggio e necessita capire dove siano aubicati i punti di infiltrazione e di afflusso alla rete.
16
1.4.1 Fase Conoscitiva
Il primo passo per risolvere eventuali problemi di afflusso e infiltrazione è la quantificazione del problema, di conseguenza si rende necessario analizzare lo stato in cui versa la fognatura. Una valutazione dello stato di fatto del sistema fognario determinerà l’entità del fenomeno delle portate parassite, ma questa è solo la base per la sua quantificazione: solo i mezzi di monitoraggio ci permetteranno poi in seguito di quantificarlo. Già durante la fase conoscitiva, tuttavia, è possibile anche decidere di intervenire direttamente senza effettuare il monitoraggio, oppure di localizzare quali sono i punti della rete dove sono presenti le criticità, capirne i problemi, ricercarne le fonti e pianificare le azioni di contrasto per determinare un piano correttivo efficace. Questa fase conoscitiva può essere condotta attraverso i seguenti test.
Test del fumo
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. In questo modo il fumo viene convogliato all’interno delle tubazioni fino a risalire nel punto di immissione delle acque, indicando così la presenza di afflussi e/o infiltrazioni.
fig. 1.6 – test del fumo8
8 ©Design South Professional
17
fig. 1.7 test del fumo9
Test di tintura
Questo processo prevede l'aggiunta di un colorante 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 capire il tragitto e verificare l'esistenza di un collegamento con il sistema fognario.
Ispezioni visive
Il personale autorizzato dell’ente gestore esamina il sistema fognario per eventuali fonti di afflusso e infiltrazione, con presa diretta del fenomeno. Altre ispezioni possono essere estese agli edifici, soprattutto agli scantinati e alle attività.
fig 1.8 - i princi Ispezioni con Teleca
Il metodo sicuramen l'ispezione televisiva a piccola videocamera ro propulsore. La fotocam tubo di fognatura all'op relazione e il video d ingegnere che stabilisc
fig
10 ©The Regional Municipa 11 ©Lindberg Business Cou
principali metodi di indagine per il fenomeno delle portate elecamera
ramente più sicuro e immediato per individuar isiva a circuito chiuso. Durante questo processo vi
era robotica all'interno della fogna principale su u otocamera fornisce lo specchio completo sulla cond a all'operatore specializzato, il quale osserva tutto
ideo digitale dell'ispezione possono poi essere r abilisce quali sono i metodi di riparazione appropria
fig 1.9 – ispezione delle tubazioni mediante telecamera11
unicipality of York, Ontario Canada ss Court St. Luis Missouri
18
ortate parassite10
viduare l'infiltrazione è sso viene collocata una le su un cingolato auto-a condizione internauto-a del tutto da un monitor. La sere riesaminati da un propriati e necessari.
19
fig 10 – ispezione delle tubazioni mediante telecamera12
12 ©Direct Industry
20
1.4.2 Monitoraggio
Il monitoraggio permette di quantificare il problema dell’Inflow/Infiltration. La misura ovviamente non è diretta ma indiretta e permette di determinare quale sia la correlazione che interviene fra un evento pluviometrico e le portate registrate all’uscita della rete.
L’analisi del monitoraggio passa attraverso le seguenti fasi: a) Individuazione della Geometria della Rete
E’ il primo passo per lo studio della rete: a questa si può risalire mediante l’analisi delle cartografie degli enti che gestiscono, e che hanno gestito, la rete di fognatura. Oltre all’analisi delle cartografie si possono fare ricerche mediante l’apertura dei pozzetti esistenti, interviste alle utenze oppure con la strumentazione ad onde radio, termografica, etc. Altre informazioni possono essere ricavate anche dai registri di manutenzione, denunce di lavori, studi precedenti, rapporti di ingegneria e interviste con il personale responsabile della manutenzione e la gestione del sistema fognario.
fig. 1.11 -- Rappresentazione di una rete di fognatura con il programma EPA SWMM
Una volta che la rete è stata individuata sarà possibile, attraverso l’individuazione degli spartiacque, caratterizzare i vari bacini in cui essa è suddivisa. Bisogna fare attenzione però: un conto è la rete nera, che farà riferimento alle utenze, un conto è il comportamento delle acque bianche del bacino, che si comporteranno in base agli eventi di pioggia.
21 b) Ricerca delle attività e delle Utenze
Si effettua una vera e propria ricerca sui contatori e sulle utenze che, si ipotizza, possono scaricare i propri reflui nei collettori individuati; importante sarebbe anche l’analisi dei consumi, per risalire anche al valore della portata idrica pro capite che viene effettivamente consumata. Se vi sono delle attività industriali è necessario capire quali siano e come funzionino i cicli produttivi, e se vi siano anche degli sprechi. In questa fase si possono fare rientrare anche le ricerche per le situazioni di Inflow/Infiltration.
c) Misurazione delle Portate nei Collettori
La misurazione delle portate nei collettori ci permette di capire l’entità delle portate in tempo d’asciutto ed in tempo di pioggia. Per la misurazione delle portate vi sono diversi macchinari, i più affidabili sono quelli elettromagnetici, che sfruttano la legge di Faraday sulla induzione elettromagnetica. Secondo la Legge di Faraday la portata di un fluido conduttore dentro il campo magnetico genera una differenza di potenziale in Volts che è raccolta dagli elettrodi sulle pareti del tubo. Nel caso di deflusso a pelo libero si utilizzano invece misuratori che sfruttano l’effetto doppler (di questi si parlerà nel capitolo 3).
d) Misura degli Eventi di Pioggia
Questa misurazione avviene attraverso l’installazione di pluviometri misuratori per la misurazione dell’altezza di pioggia e dell’intensità di pioggia in step di tempo brevissimi (minimo 5 minuti).
fig 1.2: pluviometro registratore13
22 Attraverso la loro dislocazione sul bacino, o comprensorio della rete è possibile, in una fase di post elaborazione, risalire allo istogramma di pioggia, al pluviogramma ed alla curva cumulata di pioggia.
e) Misurazione del Livello di Falda
Per un’mattenta valutazione del fenomeno di Inflow /Infiltration è necessario misurare anche il livello piezometrico della falda nell’area di studio, tramite l’utilizzo delle Celle di Casagrande opportunamente dislocate lungo il bacino.
Dalla letteratura tecnica si ricavano le seguenti indicazioni:
Un misuratore di portata per ogni 9.000 - 15.000 metri di tubazione fognaria; La registrazione della portata deve essere impostata a intervalli di 15 minuti; Un misuratore di pioggia ogni 3 misuratori di portata;
Periodo minimo di monitoraggio almeno 45 giorni con 60 giorni ottimali; Misurazione tra 6-8 eventi di pioggia distinti;
Il sistema dovrebbe essere monitorato durante un periodo di acque sotterranee a livello di falda massimo.
f) Confronto delle Portate
A questo punto il problema si riduce ad un mero confronto delle portate attraverso una relazione di bilancio delle acque. Essenzialmente il fenomeno è spiegabile attraverso la seguente relazione:
=
+
+
Dove gli elementi della formula trovano il seguente riscontro:
Qtotale è la portata totale registrata in continuo dai misuratori di portata sui
collettori, in corrispondenza della sezione di chiusura in cui sono posizionati. Qprogetto è la portata da attribuire alle utenze per le acque reflue, funzione dei
consumi misurati nel periodo di controllo, considerando un coefficiente d’afflusso alla rete delle acque di consumo prossimo all’unità.
QInfiltration è l’acqua che si infiltra tramite la falda nell’interno della rete; per
misurarla basta considerare il valore delle portate misurate e quelle di progetto. Nella fase di secca essa assumerà la forma di una legge ad
23 esaurimento, in quanto la tubazione funziona da filtro nel terreno e dal livello di falda. Durante le fasi di pioggia questa assumerà un valore superiore, ma stabile nel tempo in quanto si porrà in equilibrio al momento della saturazione del terreno.
QInflow è la portata di afflusso alla rete per l’evento di pioggia; se andiamo a
confrontare il valore della portata misurata e quella dell’evento di pioggia, siamo in grado di verificare quale sia la percentuale degli eventi meteorici che si riversano all’interno della rete.
1.4.3 Risanamento
Una volta individuate le situazioni di criticità si possono applicare diverse tecniche di intervento; alcune di queste sono:
Riparazione di difetti come crepe o fori nei tubi; Scollegamento di fonti di afflusso note;
Rivedere e aggiornare gli standard di progettazione;
Sviluppare nuovi standard e linee guida per l'ispezione e il collaudo del sistema fognario.
Se analizziamo queste tipologie d’interventi si può notare che mentre il primo punto riguarda un intervento diretto volto ad eliminare un problema, gli altri tre punti fanno parte di un programma di progettazione del sistema fognario. L’idea di scollegare le fonti d’afflusso, quali caditoie, ha una situazione all’origine in cui il sistema di smaltimento è di tipo misto, quindi prevede comunque una progettazione ed un intento programmatico di inserimento di una rete di smaltimento di acque bianche. Anche il processo di riaggiornare gli standard di progettazione e le linee guida per ispezione e collaudo rientra in una fase di programmazione d’intervento e di gestione della rete.
24
1.5 – Programmazione e manutenzione delle reti
Periodicamente l’ente gestore dovrebbe approvare un programma di manutenzione degli interventi sulla rete fognaria in senso generale, fra cui far rientrare anche quelli volti alla diminuzione del fenomeno delle portate parassite. Questa fase è la più importate al fine di gestire una rete funzionante, perché è possibile controllare la salute dell’infrastruttura.
Politiche di manutenzione possono perseguire uno dei seguenti obbiettivi:
Manutenzione correttiva: la manutenzione è eseguita a seguito della rilevazione di un problema ed è volta a riportare un’entità nello stato in cui essa possa eseguire una funzione richiesta.
Manutenzione preventiva: la manutenzione è eseguita ad intervalli predeterminati o in accordo a criteri prescritti ed è volta a ridurre la probabilità di guasto o la degradazione del funzionamento di un’entità.
Manutenzione migliorativa: un insieme di azioni di miglioramento o piccola
modifica è intrapreso allo scopo di migliorare l’affidabilità e la manutenibilità del bene, mediante l’eliminazione delle cause di guasti sistematici e/o la riduzione della probabilità di comparsa di altri guasti, senza incrementare il valore patrimoniale del bene.
fig. 1.21 – le politiche di manutenzione14
25 La programmazione ha lo scopo di perseguire la manutenzione preventiva e migliorativa della rete
La manutenzione preventiva è a sua volta articolata in
• Ciclica: manutenzione preventiva periodica in base a cicli di utilizzo predeterminati; è un tipo di manutenzione programmata, ovvero eseguita in accordo con un piano temporale stabilito, in cui il piano temporale si esprime in funzione dei cicli di utilizzo più appropriati (tempi di funzionamento, chilometri, volumi, ecc.).
• Su condizione: manutenzione preventiva subordinata al raggiungimento di un valore limite predeterminato.
• Predittiva: manutenzione preventiva effettuata a seguito dell’individuazione e
della misurazione di uno o più parametri e dell’estrapolazione secondo i modelli appropriati del tempo residuo prima del guasto.
fig. 1.22 – le politiche di manutenzione15
La scelta della politica di manutenzione è dettata da tre criteri di base: la fattibilità tecnica dell’ispezione;
la relazione tra frequenza e gravità dei guasti; il costo di manutenzione:
o proprio: costi di funzionamento della struttura di manutenzione; o indotto: costi che dipendono dagli effetti del guasto.
26 Il risparmio ottenuto attraverso la limitata programmazione degli interventi di manutenzione porta, generalmente, ad una lievitazione dei costi globali di manutenzione. La riduzione dei costi globali di manutenzione passa attraverso la tempestiva e corretta programmazione degli interventi di manutenzione. La manutenzione programmata permette di ottenere molteplici vantaggi (se confrontata con la manutenzione correttiva):
riduzione delle fermate della rete per guasto;
tempi di mancato funzionamento ridotti al minimo e, comunque, predeterminati in tempo utile per essere inseriti nei programmi di produzione; previsioni di intervento tempestive, così da consentire l’approvvigionamento a fabbisogno dei materiali (soprattutto di quelli costosi) senza necessità di mantenimento a scorta;
preventiva preparazione esecutiva dell’intervento e destinazione all’intervento di risorse con adeguato livello di professionalità;
riduzione della tendenza al degrado progressivo della qualità della rete; riduzione degli eventi con conseguenze sulla sicurezza.
La manutenzione programmata si pone lo scopo di:
Pianificare gli interventi per massimizzare il funzionamento della rete in un quadro di contenimento dei costi globali di manutenzione: „
o attesa o prevenzione del guasto;
o definizione, in caso di prevenzione, delle modalità di intervento (a tempo definito o sulla base di una valutazione progressiva della condizione di funzionamento);
o valutazione dell’opportunità di introdurre migliorie e modifiche di impianto.
Conservare il patrimonio della struttura attraverso interventi tempestivi, così da limitarne il degrado delle prestazioni durante la vita utile: „
o limitazione del degrado qualitativo del servizio;
o limitazione dei guasti con esigenze di fermata più prolungata e/o con maggiore frequenza di accadimento.
27 permetta di far capire al singolo utente che è già dal suo comportamento che si traggono i vantaggi per la collettività. Cioè bisogna fare in modo da promuovere il coinvolgimento e la responsabilizzazione degli utenti, attraverso pulizia, controlli periodici, regolazioni degli scarichi, individuazione precoce delle anomalie. Altro metodo è quello di perseguire le situazioni di illecito attraverso contravvenzioni e multe, favorendo le utenze virtuose.
Molto interessante è l’azione che sta svolgendo la Regione Metropolitana di York, facente parte della città di Toronto, Ontario, Canada, su cui gravita un numero di persone pari a 1.109.000 abitanti (Censimento 2016), su di un area di 1.762 km2, per lo più urbanizzata. Per capire quanto è ritenuto importante il problema dell’Inflow/Infiltration, si pensi che l’amministrazione ha stanziato un finanziamento di 100 milioni di dollari, per un periodo di intervento di 20 anni.
Il 31 marzo 2010 il Ministero dell'Ambiente e del cambiamento climatico (MOECC) ha approvato un equivalente della nostra Valutazione di Impatto Ambientale, denominata SEE-IEA, per un opera di rilevante importanza per la raccolta delle acque reflue, denominata “Southeast Collector Trunk Sewer”; all’interno del documento, dove sono state dettate ben 13 condizioni (con 74 sub-condizioni), alla Condizione 8, che si riferisce alle strategie a lungo termine per la conservazione dell'acqua, viene trattato anche il problema dell’Inflow/Infiltration. I requisiti richiesti dalle condizioni 8.8 e 8.9 sono i seguenti:
• La Regione di York deve presentare al direttore regionale una relazione annuale che descrive dettagliatamente i suoi progressi sull’attuazione della strategie di sviluppo intraprese, inclusa la riduzione del fenomeno dell'inflow/infiltration.
• Ogni relazione annuale redatta deve includere almeno:
o Risultati delle misure di conservazione e di efficienza dell'acqua; o Risultati del controllo del flusso e delle ispezioni visive per
determinare le fonti e l'importo di Inflow/Infiltration nel Southeast Collector Trunk Sewer;
o Progressi nella riduzione dell'Inflow/Infiltration Southeast Collector Trunk Sewer;
o I dettagli di eventuali lavori di riparazione al sistema fognario effettuati e dei risultati del bonifica;
28 o I risultati conseguiti all'interno della Regione di York per quanto
riguarda l’Inflow e le misure di riduzione dell'Infiltration.16
Si capisce come il polso del problema può essere ascoltato solo se i metodi d’intervento sono tali da garantire un monitoraggio continuo delle situazione di criticità ed un intento politico di eliminarle.
1.6 Moderni interventi di risanamento delle reti - Trenchless
Technology
In passato le operazioni di sostituzione o riparazione delle condotte esistenti potevano essere svolte esclusivamente tramite la realizzazione di trincee di scavo, necessarie per gli interventi, con la conseguente demolizione di opere di completamento della strada (marciapiedi, aiuole, cardelli, etc). Oggi le moderne tecnologie permettono di realizzare degli interventi non distruttivi intervenendo solo sulla rete fognaria senza interessare altre strutture e senza la distruzione del pacchetto stradale, se non in una sua minima parte. Questi interventi vengono chiamati nella letteratura anglo-sassone Trenchless Technology; alcuni di queste tecnologie vengono riportate qui di seguito:
Pipe Bursting
Consiste nell’inserimento di un nuovo tubo all’interno del vecchio e la distruzione dello stesso (Bursting) dall'interno; questo avviene attraverso l'inserimento di un utensile a forma di conica (burst head) nel vecchio tubo, provocandone la frattura, spingendo i frammenti nel terreno circostante, oppure trascinandoli con se. Contemporaneamente il nuovo tubo viene tirato o spinto nello spazio retrostante la testa conica; la base della testa è più grande del diametro interno del vecchio tubo, questo per causare la fratturazione, ma, allo stesso tempo, leggermente più grande del diametro esterno del nuovo tubo, al fine di ridurne l'attrito e per fornire spazio per manovrarlo. La parte posteriore della testa conica è collegata al nuovo tubo, mentre la sua estremità anteriore è collegata ad un cavo o ad un tirante.
29 Le teste, appositamente progettate, possono contribuire a ridurre gli effetti di disallineamenti sulla nuova conduttura. Le dimensioni dei tubi attualmente sostituiti con questa tecnica vanno da 110 mm a 355 mm, sebbene vi sia un aumento della probabilità di rottura per diametri maggiori (tubi fino a 630 mm - diametro 1000mm sono comunque stati sostituiti).
fig. 1.3 -- intervento di Pipe Bursting17
Il Pipe Bursting è tipicamente eseguito per lunghezze che vanno da 50 a 125 metri, che corrispondono ad una distanza tipica tra pozzetti di fognatura; tuttavia nella pratica sono state sostituite tubazioni ancora più lunghe. I tubi adatti alle operazioni di distruzione sono tipicamente fatti di materiali fragili come gres, ghisa, calcestruzzo, amianto o alcune materie plastiche.
I terreni favorevoli all’applicazione di tale tecnica sono quelli moderatamente compattati (non favoriscono l'estensione laterale del terreno); le condizioni meno favorevoli coinvolgono terreni densamente compattati e inconsistenti, terreni sotto il livello della falda idrica e terreni dilatanti. Ognuna di queste condizioni del suolo tende ad aumentare la forza necessaria per l'operazione di rottura. Quando il terreno fornisce un elevato attrito di trascinamento sul tubo, e la lunghezza di corsa è abbastanza lunga da generare forti forze di trazione sul tubo di ricambio, può essere utilizzata la bentonite o la lubrificazione polimerica, iniettati nello spazio dietro la testa di rottura per aiutare a mantenere il foro aperto e ridurre la resistenza all'attrito
30 sul tubo di ricambio.
In genere si utilizza come materiale di sostituzione il PEAD, ma anche la ghisa, cemento armato o gres. La tecnica è più vantaggiosa in termini di costo quando ci troviamo in una delle seguenti condizioni: non ci sono connessioni laterali da ripristinare; sostituzione tra due pozzetti; il vecchio tubo è strutturalmente deteriorato; è necessaria una capacità aggiuntiva del collettore; la demolizione e risistemazione dell’ambiente sono onerosi.
Pipe Splitting
Il pipe splitting, o taglia tubo, è una tecnologia simile al Pipe Bursting, idonea alla sostituzione di vecchie condotte costituite da materiali duttili (ghisa sferoidale, PEAD, acciaio, PRFV, ecc.) senza effettuare scavi. Consiste nel tiro, all'interno del tubo preesistente, di una testa tagliante dotata di un treno di lame e di un divaricatore; man mano che il tiro procede, la testa tagliante apre in due la vecchia tubazione (da qui il nome splitting) mentre il divaricatore allarga i lembi tagliati permettendo il passaggio della nuova tubazione che va ad occupare il volume precedentemente occupato dalla vecchia condotta. Tale procedimento consente di posare nuove condotte in PEAD ed acciaio di diametro esterno maggiore delle condotte esistenti, con incrementi di sezione fino al 150%. Il Pipe Splitting, per quanto riguarda sia le fasi di lavorazione che la composizione dell'impianto di cantiere, è del tutto simile al Pipe Bursting, del quale rappresenta la naturale estensione del concetto e delle modalità di lavoro. La differenza sostanziale rispetto al Pipe Bursting consiste nel fatto che invece di utilizzare espansori conici o dirompenti, si impiegano speciali teste taglianti, denominate splitter, dotate di lame affilate, capaci di tagliare con facilità tubi in materiale duttile.
31
fig. 1.4 -- intervento di Pipe Splitting18
fig 1.15 -- particolare della testa tagliante19
Relining - Cured In Place Pipe (CIPP)
Questa tecnica consiste nell’inserire un rivestimento epossidico all'interno di un tubo esistente, in modo da eliminare gli elementi di discontinuità nel tubo.
18 © Sewer repair Denver
32
fig 1.16 – condotta ostruita dalla presenza di sporco e radici20
Si inizia con la rimozione degli elementi che ostruiscono e bloccano il regolare flusso dell’acqua, in genere dopo aver ispezionato la tubazione con una sonda munita di telecamera per capire qual è la natura dell’ostruzione. Dopo di che si procede ad inserire un'altra sonda che permette di iniettare acqua ad alta pressione che permette la rimozione dell’ostruzione.
fig 1.17 – rimozione dell’ostruzione con acqua in pressione
Effettuata la pulizia, i tubi sono sottoposti ad un altro controllo e vengono misurati; la tecnologia del CIPP è basata sull'inserimento, all'interno del tubo da
33 risanare (tubo ospite), di un tubolare (detto liner) in feltro poliestere o fibra di vetro che, preliminarmente all'inserimento, viene impregnato con una resina termoindurente (detto carrier) - poliestere, vinilestere o epossidica - idonea a resistere all'azione chimica dei fluidi convogliati in condotta.
fig 1.18 – inserimento della tubazione liner e sua adesione alla vecchia tubatura21
La fodera viene fatta entrare all'interno del tubo e poi gonfiata con aria pressurizzata, in modo da consentirne l'apertura all'interno del tubo. Una volta inserito e gonfiato il tubolare, impregnato di resina, viene fatto indurire attraverso la reticolazione (polimerizzazione) della resina di cui è impregnato. La polimerizzazione della resina può avvenire grazie alla somministrazione di calore mediante acqua calda o vapore surriscaldato, che è la metodologia tradizionale, oppure tramite energia radiante mediante emettitori di raggi UV. Nel primo caso si parla di thermal curing o thermal CIPP nel secondo di UV-lining o UV CIPP.
Il nuovo tubo, in materiale composito, che risulta al termine dell'applicazione, oltre ad aderire perfettamente alle pareti interne del tubo ospite (la tubazione da risanare) è in grado di assolvere a tutte le funzioni idrauliche e strutturali a cui assolveva il tubo preesistente. A consolidamento terminato, la guaina indurita viene sezionata in corrispondenza dei pozzetti di ispezione intermedi e dei terminali. I punti di contatto terminali tra guaina (liner) e condotta esistente (host) vengono sigillati mediante
34 l'applicazione a mano di appositi stucchi chimici leganti.
Una volta realizzato il nuovo tubo interno, con una fresa robotizzata si provvede a ricreare le aperture interne ripristinando i collegamenti laterali alla tubatura principale (es impianti di fognatura privata). Quando possibile, e ciò ricorre nella gran parte dei casi, tutte le operazioni avvengono utilizzando i pozzetti esistenti, o realizzando scavi di intercetto della condotta esistente.
fig. 1.19 – nuova tubazione realizzata22
La tecnologia CIPP è sicuramente più costosa di tutte le altre tecnologie di relining riabilitativo ma offre sicuramente prestazioni migliori nel ripristino delle caratteristiche idrauliche ma anche strutturali di condotte danneggiate, e tempi di esecuzione più rapidi, specialmente con riferimento a quelle UV CIPP. Da una sola apertura sono possibili interventi lunghi anche centinaia di metri per tubi di qualunque forma e dimensione con diametro massimo equivalente fino a 2500mm. La forma della condotta da ripristinare può essere circolare, ovoidale o policentrica. Può essere utilizzata anche in tratti di condotte non rettilinee.
Directional Drilling (HHD) Trivellazione Orizzontale Controllata
Il directional drilling (HDD - horizontal directional drilling), noto in Italia anche come perforazione direzionale, perforazione orizzontale controllata, perforazione teleguidata o trivellazione orizzontale controllata (T.O.C.), è una tecnologia non distruttiva, idonea alla installazione di nuove condotte senza effettuare scavi a cielo aperto.
La tecnologia del directional drilling è essenzialmente costituita da tre fasi:
35 • perforazione pilota (pilot bore): normalmente di piccolo diametro (100-150 mm) si realizza mediante una batteria di perforazione che viene manovrata attraverso la combinazione di rotazioni e spinte il cui effetto, sulla traiettoria seguita dall'utensile fondo-foro, è controllata attraverso il sistema di guida; la perforazione pilota può seguire percorsi plano-altimetrici preassegnati che possono contenere anche tratti curvilinei;
• alesatura (back reaming) per l'allargamento del foro fino alle dimensioni richieste: una volta completato il foro pilota con l'uscita dal terreno dell'utensile fondo foro (exit point) viene montato, in testa alla batteria di aste di acciaio, l'utensile per l'allargamento del foro pilota (alesatore), avente un diametro maggiore a quello del foro pilota, e il tutto viene tirato a ritroso verso l'impianto di trivellazione (entry point). Durante il tragitto di rientro l'alesatore allarga il foro pilota. Questo processo può essere ripetuto più volte fino al raggiungimento del diametro richiesto. La sequenza dei passaggi di alesatura segue precisi criteri che dipendono dal tipo di terreno da attraversare a dalle sue caratteristiche geo-litologiche;
• tiro (pullback) della tubazione o del cavo del foro (detto anche "varo"): completata l'ultima fase di alesatura, in corrispondenza dell'exit point la tubazione da installare viene assemblata fuori terra e collegata, con un'opportuna testa di tiro, alla batteria di aste di perforazione, con interposizione di un giunto girevole reggispinta (detto girevole o swivel) la cui funzione è quella di trasmettere alla tubazione in fase di varo le trazioni ma non le coppie e quindi le rotazioni. Raggiunto il punto di entrata la posa della tubazione si può considerare terminata.
36
fig. 1.20 – macchinario per la realizzazione della trivellazione orizzontale controllata23
Le tubazioni installabili con directional drilling non solo devono essere costruite con materiali resistenti alla trazione, ma i giunti, di qualsiasi tipologia essi siano, devono poter resistere alle forze di trazione che si generano durante l'operazione di tiro. Mediante directional drilling si installano principalmente tubazioni in acciaio e PEAD giuntate testa a testa; quando i giunti sono del tipo resistente alla trazione (non è sufficiente che si tratti di semplici giunti antisfilamento) allora è possibile installare anche PVC e ghisa.
La caratteristica essenziale di questa tecnologia è quella di permettere l'esecuzione di fori nel sottosuolo che possono avere andamento curvilineo spaziale. Con questa tecnologia è possibile posare condotte con diametri fino a 1600 mm e lunghezze di tiro (distanza tra punto di entrata e punto di uscita) che ormai hanno superato i 2000 m.
Loose Fit Lifting
Tale tecnologia consiste sostanzialmente nell'inserire, entro la tubazione da riabilitare, dei tubi nuovi, di diametro inferiore rispetto al tubo da risanare. Pertanto le pareti esterne del tubo ospite non aderiscono perfettamente alle pareti interne della condotta ospitante. Lo spazio libero che si viene a creare tra i due tubi viene indicato con il termine anulus, e la sua ampiezza può variare a seconda della tecnica utilizzata
37 (tra pochi millimetri e qualche centimetro). Una volta inserita la condotta ospite (in genere PEAD) nel tubo ospitante (per spinta o molto più frequentemente per tiro), l'anulus viene intasato con iniezioni di malta cementizia.
Prima dell'inserimento del nuovo tubo si deve verificare lo stato della condotta esistente con l'ausilio di una telecamera e si deve procedere alla sua pulizia interna.
La nuova tubazione, di diametro inferiore rispetto all'esistente e giuntata in opera, viene ancorata ad una testa di traino e quindi inserita nella condotta da risanare.
I limiti di questa applicazione sono ripresentati da: o riduzione significativa della sezione idraulica;
o applicabilità solo per tratte rettilinee pertanto in corrispondea di curve plano_altimetriche si dovrà realizzare una nuovo pozzetto;
o limitata lunghezza di applicazione per singolo tronco (in genere non superiore ai 100 m);
o limitata classe di pressione conseguibile (ricordiamo che all'aumentare della classe di pressione per i tubi di PEAD, aumenta notevolmente lo spessore di parete, con ulteriore perdita di sezione utile). In realtà si dovrebbe considerare anche l'eventuale collaborazione del vecchio tubo qualora questo possegga ancora una residua resistenza meccanica.
La riduzione di sezione utile che si ha in generale nel loose-fit lining viene in genere compensata da un abbattimento della scabrezza delle pareti interne dei tubi e da un eventuale aumento della pressione di esercizio della condotta.
Queste tecniche vengono utilizzate essenzialmente per intervenire tempestivamente in situazioni di particolare disagio e a fronte di una mancanza di un piano d’intervento per il risanamento completo e di riprogettazione degli impianti di fognatura.
38
Bibliografia
S. ARTINA, G. CALENDA, F. CALOMINO, C. CAO, G. LA LOGGIA, C. MODICA, A. PAOLETTI. S. PAPIRI, G. RASULO, P. VELTRI - Sistemi di
Fognatura – Centro Studi Deflussi Urbani HOEPLI
O. RAYNAUD, C. JOANNIS, F. SCHOEFS, F. BILLARD – A model-based
assessment of infiltration and inflow in the scope of controlling separate sanitary overflows at pumping station – 11th International Conference on Urban Drainage, Edimburg, Scotland, UK, 2008
A. BOCUS – Il problema della presenza di acque parasite nelle reti fognarie:
metodi per l’accertamento e riduzione – GRES ECONEWS N. 2/2013 Società del
Gres Gruppo Steinzeug-Keramo
A. BOERSMA – A qualitative Approach to Determining Areas of Highest Inflow
and Infiltration in the Milwaukee Metropolitan Sewerage District’s Juristiction – GIS
for Water Resources December 3, 2012
EPA United States Enviromental Protection Agency - Guide for Estimating
Infiltration and Inflow – giugno 2014
COMMONWEALTH OF MASSACHUSETTS, Executive Office of Enviromental Affairs, Department of Enviromental Protection – Guidelines for Performing
Infiltration/Inflow Analyses And Sewer System Evaluation Survey – gennaio 1993
A-M. GUSTAFSSON, L-G. GUSTAFSSON, S. AHLMAN, M. VON SCHERLING , E. WILMIN ,L. KJELLSON - Modelling Rainfall Dependent Infiltration and Inflow
(RDII) in a seperate sewer system in Huddinge, Stockholm – International Mike by
DHI Conference 2010, Copenaghen
C. KARPH, P. KREBS – Quantification of groundwater infiltration and surface
water inflow in urban sewer networks based on a multiple model approach – Water
Research 45 (2011)
P.STAUFER, A. SCHEIDEGGER, J. RIECKERMANN – Assessing the
performance of sewer rehabilitation on the reduction of infiltration and inflow -
Water Research 46 (2012)
G. DIRCKX, S. VAN DAELE, N. HELLINK – Groundwater Infiltration Potential
(GWIP) as an aid to determining the cause of diluition of waste water – Journal of
Hydrology 5242 (2016)
39 Giugno 2010
L. COLQUITT - Isolating Inflow & Infiltration – Water and Wastwater Digest –
Maggio 2013
YORK REGION – Inflow & Infiltration Reduction Strategy – Annual Report 2017 N. WALMSLEY, H. CHURTON, I. IDRIS, E. LIM, D. PHILLIPIS, R. PULLAR, P. RUFFEL, L. SINCLAIR – Infiltration & Inflow Control Manual – Water New Zeland 2th edition March 2015
COMMONWEALTH OF MASSACHUSETTS DEPARTMENT OF
ENVIROMENTAL PROTECTION – Guidelines for performing Infiltration/Inflow
Analyses and sewer system evaluation surveys – Maggio 2017
WATER ENVIROMENT FEDERATION USA – Infiltration and Inflow control – WEF Special Publication 2016
S. IERACE – Manutenzione industriale - www.fornasinimauro.it
40
CAPITOLO 2
IL SOFTWARE EPA-SWMM
2.1 Introduzione
Il software utilizzato per lo studio oggetto della presente tesi è EPA Storm Water Management Model (SWMM), prodotto e sviluppato dal Water Supply and Water Resources Division dell’Environmental Protection Agency (US-EPA).
SWMM è stato concepito nel 1971 e nel corso degli anni ha subito continui sviluppi e miglioramenti fino ad arrivare alla versione usata in questo studio, la Versione 5.0.
Si tratta di un modello di simulazione afflussi-deflussi dinamico concepito espressamente per essere utilizzato in contesti urbanizzati sia per simulare un singolo evento di pioggia sia per una modellazione continua. Nella modellazione dei deflussi SWMM permette anche di tenere conto delle problematiche connesse alla qualità delle acque.
2.2 Descrizione di SWMM
SWMM (Storm Water Management Model) è un software complesso 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. Tale programma è stato concepito per modellare in termini qualitativi e quantitativi tutti i processi che si innescano nel ciclo idrologico. All'interno di SWMM sono presenti una componente di deflusso ed una di trasporto. La componente di deflusso di SWMM opera su un insieme di aree sottobacino che ricevono precipitazioni e generano il deflusso ed i relativi carichi inquinanti. La componente di trasporto simula la propagazione del deflusso nella rete di drenaggio che è costituita da un sistema di tubi, canali, dispositivi di stoccaggio e/o trattamento, pompe e regolatori.
SWMM è quindi in grado di valutare la quantità e la qualità del deflusso generato all'interno di ogni sottobacino e la portata, il battente idrico e la qualità delle acque in ciascun punto della rete di drenaggio durante la simulazione.
41 verifiche relative a:
3. reti di deflusso delle acque piovane; 4. fogne miste;
5. fogne nere;
6. altri sistemi di drenaggio in aree urbane.
In particolare, il software SWMM è particolarmente utile per:
• il dimensionamento e la verifica delle reti di drenaggio in ambito urbano o comprensori di bonifica, permettendo di effettuare una modellazione idrologica dei bacini sottesi ed una modellazione idraulica della rete di drenaggio;
• il dimensionamento e la verifica delle reti di raccolta e collettamento dei deflussi di fogne bianche, nere e miste in quanto permette di considerare come input del modello idraulico non solo la precipitazione ma anche i deflussi che provengono dagli scarichi degli agglomerati urbani (fogne nere, bianche o miste);
• condurre verifiche di invarianza idraulica con la possibilità di inserire nella modellazione idrologica e idraulica anche opere di compenso a livello locale (LID) per cercare di mitigare l'effetto dell'urbanizzazione dell'area abbassando la portata massima che transita nella sezione di chiusura del bacino.
Come già accennato, nella prima fase della modellazione la componente di deflusso di SWMM opera su un insieme di sottobacini che ricevono precipitazioni e generano il deflusso ed i relativi carichi inquinanti. In una seconda fase la componente di propagazione di SWMM trasporta questo deflusso attraverso la rete di drenaggio costituita da:
1. condotte, 2. canali,
3. vasche di stoccaggio/dispositivi di trattamento, 4. pompe,
5. regolatori.
Il software SWMM è quindi in grado di valutare le caratteristiche quantitative e qualitative del deflusso all'interno di ciascun sottobacino, la portata, la profondità di corrente e la qualità dell'acqua in ogni tubo e canale. EPA ha recentemente esteso le funzionalità del software SWMM per modellare esplicitamente le caratteristiche
42 della risposta idrologica di specifiche tecniche di intervento a basso impatto, identificate con l'acronimo LID (Low Impact Development) all'interno del software, come ad esempio:
pavimentazione porosa, giardini di pioggia, tetti verdi,
fioriere,
vasche di raccolta di acque di pioggia, trincee di infiltrazione,
vasche filtro di vegetazione riparea.
Il modello SWMM consente quindi di rappresentare accuratamente qualsiasi combinazione delle sopra citate tecniche di intervento all'interno di una zona studio per determinare la loro efficacia nella gestione delle reti delle acque piovane e delle reti miste.
Il software SWMM è in grado di considerare vari processi idrologici che influenzano il deflusso nelle aree urbane ed in particolare:
• precipitazioni variabili nel tempo,
• evaporazione dell'acqua dalla superficie del suolo, • accumulo di neve e sua fusione,
• intercettazione della precipitazione da parte delle depressioni superficiali,
• infiltrazione delle precipitazioni in strati di terreno insaturi, • percolazione di acqua infiltrata negli strati sotterranei,
• scambi idrici tra acque sotterranee ed il sistema di drenaggio, • propagazione non lineare dei deflussi di scorrimento superficiale, • effetti sul deflusso indotti da tecniche a basso impatto.
La variabilità spaziale in tutti questi processi si ottiene scomponendo l'area di studio in una serie di piccoli sottobacini per quanto possibile omogenei dal punto di vista della risposta idrologica.24
24 RUWA Srl acqua territorio energia – Dispense Programma di formazione di
43
2.3 Modello a oggetti di SWMM
SWMM può essere utilizzato per modellare qualsiasi combinazione di sistemi di raccolta delle acque piovane, sia separati che combinati, così come bacini naturali ed i sistemi di canali fluviali. La fig. 2.1 illustra gli elementi inclusi in un tipico sistema di drenaggio urbano.
fig. 2.1 – Elementi di una tipica rete di drenaggio in ambito urbano
SWMM concettualizza questo schema come una serie di afflussi di acqua e materiali tra i più importanti comparti ambientali. Questi comparti includono i seguenti elementi.
• ATMOSFERA: nel quale vengono definiti i valori di pioggia che la simulazione utilizza per le precipitazioni sul bacino. E’ possibile lanciare simulazioni di eventi critici di pioggia che vanno a sollecitare il bacino di studio di diverso tipo:
- a “evento singolo”, ovvero simulazioni della durata di poche ore; - “in continuo”, ovvero simulazioni della durata di diversi giorni o mesi.
• SUOLO: può essere suddiviso in diversi sottobacini, ciascuno caratterizzato in maniera differente; riceve afflussi dal comparto Atmosfera, come pioggia,
