Università degli Studi di Bologna FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Civile Indirizzo Idraulica Insegnamento di Tecnica dei Lavori Idraulici LS
SIMULAZIONE QUALI−QUANTITATIVA DELLA RETE FOGNARIA DELLA CITTÁ DI MODENA E DIMENSIONAMENTO DI INVASI PER LA MITIGAZIONE DELL’ IMPATTO DEGLI SCARICATORI DI PIENA
Tesi di Laurea di: Alberto BARTOLI
Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. Sandro ARTINA
Correlatori: Dott. Ing. Marco MAGLIONICO Dott. Ing. Roberto GASPARETTO Dott. Ing. Massimo BORGHI
Sessione III Anno Accademico 2006-2007
Ai miei genitori e ai miei nonni
PAROLE CHIAVE: Modena Modelli di drenaggio urbano Vasche di prima pioggia Scaricatori di piena InfoWorks
Indice.
Introduzione.
1
Capitolo 1 Effetti dell’urbanizzazione sui deflussi meteorici
5
1.1 L’incremento del deflusso superficiale ed il suo decremento qualitativo
5
1.2 La qualità delle acque meteoriche di dilavamento
8
1.3 Le fonti di inquinamento ed il fenomeno del “build-up”
11
1.3.1
Il traffico veicolare
12
1.3.2
L’atmosfera
14
1.3.3
Le superfici a tetto
15
1.4 Il fenomeno del “first flush” ed il “wash-off”
17
1.5 Gli effetti della pulizia delle strade eseguita con mezzi meccanici
18
Capitolo 2 Il controllo delle acque meteoriche di dilavamento
22
2.1 Il sistema di drenaggio unitario o a rete separata
23
2.2 I sistemi di controllo degli scarichi
25
2.2.1
Il controllo ambientale degli scarichi
26
2.3 Nuovi sistemi di controllo quali-quantitativo delle acque meteoriche urbane a monte delle reti fognarie 35
Capitolo 3 I modelli numerici di simulazione quali-quantitativa
39
Premessa
39
3.1 La classificazione dei modelli di drenaggio urbano
40
3.1.1
Classificazione in dipendenza dello scopo del modello
40
3.1.2
Classificazione in base alla trasformazione afflussi-deflussi
41
3.1.3
Classificazione in base alla variabilità spaziale delle grandezze
42
3.1.4
Classificazione in base alla impostazione teorica
43
3.1.5
Classificazione in funzione di linearità e stazionarietà
43
3.1.6
Classificazione in funzione della completezza del modello
44
3.1.7
Classificazione in base al periodo simulato
44
3.1.8
Classificazione in base ai risultati forniti
45
3.2 I modelli di qualità nei deflussi urbani 3.2.1
I modelli deterministi fisicamente basati
3.3 InfoWorks CS 8.05
Capitolo 4 L’idrografia modenese fra il Fiume Secchia e il Fiume Panaro
46 47 51
60
Premessa
60
4.1 L’evoluzione storica della rete scolante modenese
61
4.1.1
La Palude a sud di Modena
61
4.1.2
Le prime proposte di risanamento igienico della città
64
4.1.3
Il risanamento igienico della città nel ‘900
66
4.2 I bacini fra Secchia e Panaro ed il reticolo idrografico superficiale
Capitolo 5 Il modello numerico della rete fognaria della città di Modena 5.1
68
76
La rete di drenaggio della città
76
5.1.1
I Macro Bacini di drenaggio
81
5.1.2
Gli scaricatori di piena principali della rete
82
5.2
Calibrazione di tempo asciutto
88
5.3
Analisi di sensitività dei parametri idrologici
91
Premessa
91
5.3.1
93
La scelta dei parametri per l’analisi quantitativa
5.4
Calibrazione e Verifica del modello numerico
100
5.5
Analisi di Sensitività dei parametri qualitativi
108
Capitolo 6 Analisi delle criticità ambientali e dimensionamento di invasi per la mitigazione dell’impatto degli scaricatori di piena 119 Premessa
119
6.1
Confronto fra simulazioni in continuo e simulazioni singole
119
6.2
Gli eventi simulati in continuo
121
6.3
Lo stato attuale della rete
123
6.3.1
I risultati delle simulazioni della serie storica del 2005
124
6.3.2
I risultati delle simulazioni della serie storica del 2006
129
6.3.3
Quadro riassuntivo delle analisi circa lo stato attuale della rete
142
Dimensionamento ed analisi dell’efficacia di vasche di prima pioggia
143
6.4.1
Risultati delle simulazioni con vasche da 15 [m3/ha]
146
6.4.2
Risultati delle simulazioni con vasche da 25 [m3/ha]
149
6.4.3
Quadro riassuntivo dei risultati delle simulazioni
152
6.4
6.5
Abbattimento dei tassi di accumulo
Capitolo 7 Analisi delle criticità idrauliche della rete
154 157
7.1
Criticità idrauliche della rete
157
7.2
Stima del tempo di corrivazione
160
7.3
Risultati delle simulazioni
161
Conclusioni.
165
Bibliografia.
167
Introduzione.
Nel presente lavoro di tesi ci si è occupati dello studio del comportamento idraulicoambientale della rete di drenaggio a servizio della città di Modena. In particolare si è condotta una valutazione dell’effetto che gli scaricatori della rete fognaria in oggetto hanno sul complesso dei corpi idrici riceventi. Tale lavoro si prefigge anche lo scopo di individuare e dimensionare i più efficaci sistemi di controllo degli sversamenti, operati dagli scaricatori stessi, ed infine supportare analisi costi-benefici in vista della realizzazione delle opere di risanamento ambientale necessarie per ottemperare ai vincoli imposti dalla vigente normativa regionale in merito alla gestione delle acque di prima pioggia (Deliberazione G.R. Emilia Romagna 286/2005). Lo studio si è articolato in fasi successive: •
analisi dello stato di fatto;
•
catalogazione degli scaricatori in esercizio nella rete di drenaggio;
•
determinazione ed analisi dei bacini idrografici e delle superfici scolanti;
•
implementazione di un modello numerico della rete di drenaggio;
•
individuazione e valutazione delle criticità idraulico-ambientali del sistema
L’attività che ha portato al conseguimento dei risultati che sono raccolti in questa “nota” è stata svolta in collaborazione con la società HERA Modena s.r.l. a cui compete, fra le altre, la gestione dell’intera rete di drenaggio urbano del Comune di Modena. La fase di analisi dello stato di fatto e delle superfici scolanti afferenti ai singoli sottobacini è stata condotta utilizzando lo strumento GIS Arcview; il quale è di supporto, anche ai fini di un’appropriata definizione delle caratteristiche specifiche del territorio. Lo studio è stato sviluppato mediante la realizzazione di un modello numerico di simulazione quali-quantitativa con l’ausilio del software InfoWorks CS 8.05, distribuito dalla Wallingford Software Ltd UK; messo gentilmente a disposizione dalla società HERA Modena s.r.l. Tale software è un modello fisicamente basato che restituisce l’andamento nel tempo sia delle grandezze idrauliche (livelli idrici e portate) sia delle grandezze qualitative (concentrazione e portate solide degli inquinanti) in ogni condotto
1
della rete; capace inoltre di gestire le informazioni geometriche e cartografiche ricavate da Arcview. Il primo capitolo contiene una descrizione iniziale degli effetti che l’antropizzazione del suolo produce sui deflussi e più in generale sulle caratteristiche naturali del territorio; successivamente illustra specificatamente le caratteristiche qualitative delle acque di pioggia che interessano i bacini urbani e le fonti che ne condizionano le proprietà originarie. Nel secondo capitolo vengono esaminati le diverse opportunità e strumenti per eseguire un controllo sui deflussi urbani sia dal punto di vista quantitativo che da quello qualitativo. Nel terzo capitolo viene proposta inizialmente una classificazione ed una descrizione delle diverse tipologie di modelli numerici e successivamente si pone l’attenzione sui modelli di simulazione qualitativa dei deflussi, descrivendo le caratteristiche di quello adottato per l’ottenimento dei risultati, richiamando anche le relazioni numeriche che sono alla base delle schematizzazioni dei processi idraulici, idrologici e qualitativi che hanno luogo nel sistema di drenaggio e nei bacini ad esso afferenti. Il quarto capitolo presenta una descrizione del territorio in cui è inserito il sistema oggetto dello studio, con particolare riferimento alle interazioni che questo ha in generale, ma nel caso della città di Modena in particolare, con l’idrografia circostante. Vengono qui esaminati i corsi d’acqua principali presenti nel territorio compreso fra il Fiume Secchia e il Fiume Panaro, i loro bacini e sottobacini idrografici che in differente misura sono in relazione con quello proprio dell’area urbana della città di Modena. Il quinto capitolo è incentrato sul modello numerico di simulazione: nella prima parte sono spiegate in maniera sintetica le procedure seguite per la schematizzazione della rete di drenaggio e dei manufatti presenti in essa; la seconda parte è dedicata alla delicata fase di analisi di sensitività dei parametri quantitativi e qualitativi alla base delle relazioni di calcolo e alla calibrazione idraulica del modello, svolta con grande attenzione e scrupolo. Il sesto capitolo contiene la descrizione delle simulazioni qualitative svolte sul sistema di drenaggio, condotte per valutare il reale e globale impatto che questa ha, attraverso gli scaricatori di piena, sui corpi idrici ricettori. Vengono quindi presentati gli esiti delle simulazioni in continuo, realizzate sulla base delle serie storiche pluviometriche registrate negli anni 2005 e 2006 a Modena dal pluviometro posto in Piazza Roma e
2
disponibili con intervalli di registrazione pari a cinque minuti, che hanno consentito di determinare le soluzioni più efficaci per la mitigazione delle criticità ambientali rilevate. Il settimo capitolo conclude il lavoro di Tesi presentando i risultati ottenuti dalle simulazioni svolte con l’intento di individuare le criticità idrauliche della rete associandole a determinati tempi di ritorno.
3
4
Capitolo 1. Effetti dell’urbanizzazione sui deflussi meteorici
L’alterazione dell’ambiente naturale è la diretta conseguenza dell’uso improprio, eccessivo ed irreversibile delle risorse fondamentali a disposizione dell’uomo che ha portato, contestualmente ad un loro sensibile inquinamento (decremento qualitativo) e depauperamento (decremento quantitativo). Nell’ultimo cinquantennio l’impatto più rilevante lo ha assunto l’impermeabilizzazione continua delle aree urbane, ove maggiormente si è manifestata l’alterazione del paesaggio, inteso come “ecosistema” naturale (suolo, acqua, aria, fauna e vegetazione), ed il suo radicale rimodellamento in forme artificiali.
1.1 L’incremento del deflusso superficiale ed il suo decremento qualitativo Nelle aree urbane, la concentrazione di residenze, di infrastrutture e di industrie nelle zone periferiche circostanti, ha fatto emergere non pochi problemi connessi con il drenaggio delle acque meteoriche di dilavamento. In particolare, si possono avere gravi conseguenze sia idraulico-quantitative che ambientali-qualitative, che vanno dall’insufficienza delle reti di fognatura esistenti e dei corsi d’acqua recettori, alla necessità di trattare la frazione più inquinata delle acque meteoriche e di ridurre i volumi idrici ed i carichi inquinanti sversati attraverso gli scaricatori di piena. Sul naturale reticolo idrografico, l’urbanizzazione produce, essenzialmente, tre tipi di alterazioni: •
La ridotta attività vegetazionale (evapotraspirazione), la minore infiltrazione delle acque meteoriche nel sottosuolo ed i contemporanei diffusi prelievi d’acqua da esso, condizionano in modo sostanziale il “bilancio idrologico”, determinando una riduzione della ricarica della falda;
5
•
Il livellamento delle depressioni naturali e la maggiore impermeabilizzazione delle superfici, unita alla consequenziale maggiore velocità degli afflussi superficiali (⇑ coefficiente d’afflusso ϕ), in tempo di pioggia, aumentano le portate idrauliche per unità di superficie trasformata (⇑ coefficiente udometrico υ), in emissione ai corpi recettori finali, aggravando i problemi connessi con le esondazioni e la stabilità dei suoli;
•
La quantità e l’inquinamento delle acque meteoriche di dilavamento, che interessano gli agglomerati urbani, sempre maggiori rispetto alle circostanti aree rurali, ha ormai assunto un’importanza analoga, per il trattamento, a quella delle acque reflue in scarico dagli stessi.
Figura 1.1 - Impatto dell’urbanizzazione sul ciclo dell’acqua [EPA 841-B-05-004, 2005]
Nell’ambito del processo di dilavamento operato dalle acque meteoriche particolare rilevanza assumono le cosiddette acque di prima pioggia: esse sono costituite dal
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volume d’acqua meteorica di scorrimento, defluito nei primi minuti di precipitazione e caratterizzato da elevate concentrazioni di sostanze inquinanti. L’analisi delle acque di prima pioggia in ambito urbano e in bacini naturali antropizzati è da tempo considerata di primaria importanza, non solo per il controllo dei fenomeni di natura idrologica e idraulica generati in tempo di pioggia, che possono provocare danni a persone e cose, ma anche per il contributo che tali fenomeni possono dare al peggioramento delle caratteristiche di qualità dei corpi ricettori; esso può avvenire sia mediante lo sversamento diretto dei carichi inquinanti attraverso le fognature bianche delle reti a sistema separato e gli scaricatori di piena di quelle a sistema unitario, sia col peggioramento, seppure temporaneo delle prestazioni degli impianti di depurazione a servizio di queste ultime e il conseguente aumento dei carichi anche di origine domestica avviati allo scarico (P. Calabrò, G. La Loggia). Numerosi studi sono stati condotti sulle caratteristiche di qualità delle acque di pioggia, finalizzati all’identificazione delle loro caratteristiche fondamentali (definizione delle perdite idrologiche, trasformazione afflussi-deflussi, propagazione dei deflussi sulle superfici dilavate e all’interno della rete fognaria, etc.); i risultati così ottenuti consentono di avere un quadro sufficientemente chiaro e generalizzabile sui fenomeni indagati e sui metodi adottabili per la previsione degli eventi di pioggia da utilizzare per il progetto delle opere idrauliche, finalizzate al controllo dei fenomeni di piena in ambito urbano (Zoppou, 2001). Più di recente si è invece sviluppata la ricerca sulle caratteristiche di qualità delle acque di pioggia e sul contributo dato da queste all’inquinamento dei corpi idrici. Solamente a partire dagli anni ’80, si è infatti riconosciuto che gli interventi di risanamento possono risultare monchi e inefficaci, se limitati solo alla riduzione del carico inquinante prodotto dalle acque nere, mediante il loro drenaggio e trattamento. Le ricerche condotte sulla definizione delle caratteristiche di qualità delle acque di pioggia, peraltro ormai numerose, mettono ancora più in evidenza l’indiscusso contributo dato dalle acque di origine meteorica, all’inquinamento dei corpi idrici ricettori ed evidenziano la necessità di sviluppare ulteriormente la sperimentazione in tale settore. Tali problematiche sono in questi ultimi anni particolarmente sentite anche a livello europeo, grazie all’emanazione di specifiche normative a livello europeo (Direttiva UE 200/60) a livello nazionale (D.lgs. 152/99) e a livello regionale
7
(Deliberazione G.R. Emilia Romagna 286/2005; Deliberazione G.R. Emilia Romagna 1860/2006).
1.2 La qualità delle acque meteoriche di dilavamento L’inquinamento associato alle acque di scorrimento superficiale delle acque urbanizzate è ormai riconosciuto come una delle maggiori cause dell’alterazione della qualità dei corpi idrici ricettori. Nelle aree urbane, infatti, le acque meteoriche dilavano un miscuglio eterogeneo di sostanze disciolte, colloidali e sospese, che comprendono metalli, composti organici e inorganici. Una parte rilevante del carico inquinante delle acque di pioggia proviene dall’atmosfera, le cui caratteristiche di inquinamento sono a loro volta funzione delle emissioni gassose industriali e civili, del traffico veicolare e delle particelle trasportate dagli agenti atmosferici. In particolare il carico inquinante di origine atmosferica riguarda principalmente i composti disciolti ( solidi disciolti, cloruri, sodio). Durante gli eventi di pioggia, inoltre, l’acqua meteorica di scorrimento opera il dilavamento delle superfici urbane asfaltate causando il trasporto in fognatura di sostanze inquinanti tra le quali, principalmente, solidi sedimentabili (organici o inorganici), elementi nutritivi, batteri, olii e grassi e metalli pesanti, imputabili essenzialmente al traffico veicolare e ad attività antropiche associate. Recentemente è stato dimostrato come anche il dilavamento delle superfici a tetto, rappresenti una fonte di inquinamento considerevole: la presenza di elevate concentrazioni di metalli pesanti in forma disciolta, in particolare Zn, Cd (costituente dei prodotti dello zinco) Cu e Pb, nelle acque di scolo, provenienti dalle superfici a tetto è imputabile alla corrosione di superfici metalliche utilizzate come materiale di copertura e per la realizzazione di grondaie ed infissi. Il fenomeno che determina il dilavamento ed il trasporto della maggior quantità di carico inquinante, operato dal primo volume di acqua ruscellata è noto, nella terminologia anglosassone con il nome di first flush.
8
Il carico inquinante, movimentato dai fenomeni di dilavamento, è influenzato dalla qualità dell’atmosfera, dall’uso del suolo dalla composizione e dalle condizioni della superficie stradale. Si possono distinguere in ambiente antropizzato due tipologie di sorgenti di inquinanti: sorgenti puntuali, come piazzali di siti produttivi, o sorgenti diffuse, come le strade ed i tetti che costituiscono un’elevata percentuale della copertura dei bacini urbani.
Figura 1.2 – L’inquinamento dei deflussi meteorici (G. Becciu, 2007) In particolare, l’origine delle sostanze depositate sulle superfici delle aree antropizzate è quanto mai varia: attività domestiche quotidiane (discariche abusive, deposizioni fecali di animali, grassi, tensioattivi); attività collegate al traffico veicolare (idrocarburi, sottoprodotti della combustione di carburanti, metalli rilasciati in seguito a fenomeni di corrosione, usura dei pneumetici); attività riguardanti siti in costruzione (polveri, solidi sedimentabili derivanti da fenomeni erosivi); attività svolte in siti produttivi (demolizioni auto, distributori di carburante, autolavaggi). Durante i periodi di tempo secco (assenza di precipitazioni) tali sostanze inquinanti si accumulano sulla superficie dei bacini di drenaggio; il fenomeno è attenuato solamente per effetto della rimozione naturale dovuta al traffico veicolare o al vento, oppure ancora dalla rimozione diretta operata dai mezzi di pulizia delle strade.
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Tuttavia, la mancanza di una definizione univoca in termini quantitativi del fenomeno del first flush, comporta un’oggettiva difficoltà nella caratterizzazione delle acque di prima pioggia, sulla base di parametri tecnicamente rappresentativi. La mancata caratterizzazione e determinazione dei volumi interessati da tale fenomeno, rende particolarmente difficoltoso il corretto dimensionamento delle strutture atte a contenerli e trattarli adeguatamente. Nell’ambito della gestione dei sistemi di drenaggio urbano, l’interesse della ricerca si è pertanto indirizzato, in primo luogo, alla caratterizzazione delle acque di prima pioggia e successivamente ai possibili interventi (compatibili con i sistemi di drenaggio esistenti) per mitigarne l’impatto sui corpi idrici ricettori. In questo ambito negli ultimi decenni si sono susseguiti una serie di studi volti all’analisi dei processi di accumulo e trasporto di inquinanti, dalle aree antropizzate alla rete di drenaggio e la corpo ricettore. In particolare è stata indagata la porzione di acque di ruscellamento associata ai primi istanti dell’evento meteorico e considerata quindi maggiormente inquinante. La caratterizzazione delle acque di dilavamento di superfici antropizzate attraverso campagne di monitoraggio è divenuta, in questo contesto, strumento indispensabile per individuare l’effettivo volume di acque di prima pioggia che necessitano di captazione e trattamento. La predisposizione ed installazione di siti pilota di monitoraggio qualiquantitativo, è essenziale per poter sviluppare modellistiche di trasporto di inquinanti per la valutazione di diversi scenari di risposta del sistema di drenaggio e corpo idrico ricettore a eventi pluviometrici. I siti sperimentali indagati negli studi ad oggi condotti, riguardano per lo più aree urbane o superfici autostradali, cioè quelle che possono essere considerate sorgenti di inquinamento diffuse. Nella tabella 1.1 presentata di seguito sono riportati gli intervalli di concentrazione dei più comuni parametri inquinanti riscontrati durante campagne di campionamento condotte in Europa, negli Stati Uniti e in Australia.
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Sistema fognario pluviale Scaricatore di piena di un sistema fognario unitario Autostrade Tetti Cunette stradali Zona residenziale Zona commerciale Industrie
CONCENTRAZIONE MEDIA PER EVENTO (mg/l) SST BOD5 COD NH4 Pb 21 - 582 7 - 22 33 - 265 0.2 - 4.6 0.03 - 3.1 237 - 635
43 - 95 120 - 560
2.9 - 4.9
0.15 - 2.9
28 - 1178 12 - 32 128 - 171 0.02 - 2.1 0.15 12 - 216 3-8 58 - 81 0.4 - 3.8 2.9 15 - 840 7 - 241 25 - 109 0.7 - 1.4 0.001 - 0.03 112 - 1104 7 - 56 37 - 120 0.3 - 3.3 0.06 - 0.85 230 - 1894 5 - 17 74 - 160 0.03 - 5.1 0.09 - 0.44 45 - 375 8 - 12 40 - 70 0.2 - 1.1 0.1 - 0.4 Limiti fissati da D.Lgs. 152/1999
Scarico in acque superficiali: ≤ 125 ≤ 35 ≤ 25 acque reflue urbane Scarico in acque superficiali: ≤ 160 ≤ 15 ≤ 0.2 ≤ 80 ≤ 40 acque reflue industriali Scarico sul suolo ≤ 100 ≤ 0.1 ≤ 25 ≤ 20 Tabella 1.1 - Intervalli di concentrazione di inquinanti nelle acque di dilavamento di superfici a diversa destinazione [Ellis, 1985] e confronto con i limiti previsti dal D.Lgs. 152/1999
1.3 Le fonti di inquinamento ed il fenomeno del “buildup” Nelle aree urbane, l’acqua di scorrimento superficiale dilava sostanze disciolte, sospese, metalli pesanti, composti organici ed inorganici. In generale la superficie stradale rappresenta la variabile principale che influenza la quantità e la qualità delle acque di scolo; ciò è dovuto al fatto che: •
per precipitazioni con basse intensità le superfici stradali rappresentano il maggior contributo di acqua di ruscellamento.
•
molti degli inquinanti trasportati dalle acque di scorrimento, sono imputabili al traffico veicolare o ad attività antropiche associate.
Tuttavia, oltre al traffico veicolare, si possono identificare ulteriori sorgenti significative quali polveri o altre sostanze che si depositano sulle superfici stradali o a tetto durante i periodi di tempo asciutto e sostanze dilavate dall’atmosfera durante gli eventi di precipitazione. Una prima indicazione sulla quantità di sostanze inquinanti presenti sui nostri bacini antropizzati, la si può determinare facendo riferimento ai tassi di accumulo di materiale solido, riportati in tabella 1.2, a cui per altro si associano la maggior parte di sostanze inquinanti, ottenuti in funzione dell’uso del suolo specifico di ciascuna area urbana.
11
Uso del suolo Accumulo [kg/ha⋅giorno] Zone residenziali densamente abitate 10÷25 Zone residenziali scarsamente abitate 5÷6 Zone commerciali 15 Zone industriali 35 Tabella 1.2 - Coefficienti di accumulo del materiale solido sulla superficie stradale in funzione dei vari tipi di urbanizzazione [Alley, 1981] 1.3.1
Il traffico veicolare
I veicoli costituiscono una fonte diretta e indiretta di inquinamento. Come fonte diretta (Tabella 1.3), i veicoli contribuiscono all’accumulo di carico inquinante attraverso i prodotti della combustione (monossido di carbonio, ossidi di azoto), l’usura delle guarnizioni dei freni e della frizione e delle altre parti meccaniche in movimento; la composizione e la quantità di particolato emesso dagli scarichi delle auto dipendono da molteplici fattori tra cui il tipo di combustibile e l’età del veicolo. E’ stato valutato che circa il 65% degli idrocarburi derivano da processi di evaporazione che interessano il carburatore e la coppa dell’olio, mentre l’usura delle parti meccaniche in movimento e la corrosione della carrozzeria comporta principalmente il rilascio di metalli pesanti. Ulteriori cause dirette sono imputabili alla perdita di liquidi lubrificanti, olii e grassi del motore. L’usura dei pneumatici causa la presenza di ossidi di zinco, cadmio e composti della gomma. Indirettamente invece, il traffico veicolare è tra le cause che provocano l’erosione dei manti stradali e il trasporto di sedimenti da aree di parcheggio strade urbane, siti in costruzione; circa il 95% dei solidi dilavati dalla pioggia hanno, infatti, origini differenti e sono trasportati sulle superfici stradali ad opera degli stessi veicoli.
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Inquinante
Fonte primaria
Solidi
Usura del manto stradale, veicoli, attività di manutenzione
Azoto
Utilizzo di fertilizzanti nelle aree verdi stradali
Fosforo
Utilizzo di fertilizzanti nelle aree verdi stradali
Piombo
Scarichi delle auto, usura dei pneumatici, oli e grassi lubrificanti, usura dei cuscinetti Usura dei pneumatici, oli e grassi del motore
Zinco Ferro Rame Cadmio Cromo
Ruggine dei veicoli, strutture stradali in acciaio, parti meccaniche in movimento Corrosione della carrozzeria, usura dei cuscinetti e delle spazzole, parti meccaniche in movimento, fungicidi, insetticidi, pesticidi Usura dei pneumatici, pesticidi
Manganese
Corrosione della carrozzeria, parti meccaniche in movimento, usura del rivestimento dei freni Scarico del diesel e della benzina, oli lubrificanti, corrosione della carrozzeria, usura dei freni, usura del rivestimento dei freni, superfici asfaltate Parti meccaniche in movimento, scarichi delle auto
Cianuro
Composti anti-gelo
Cloruro di Sodio/Calcio
Sali anti-gelo
Solfati
Superfici stradali, benzine, sali sgelanti
Idrocarburi PCB
Perdite di lubrificanti, fluidi anti-gelo e idraulici, lisciviazione attraverso superfici asfaltate Catalizzatori PCB in pneumatici sintetici, spray per segnaletica stradale
PAH
Lisciviazione attraverso superfici asfaltate
Nichel
Tabella 1.3 – Inquinanti presenti sulle strade e rispettive fonti (Ball et al., 1998). La quantificazione dei contributi diretti all’inquinamento diffuso, imputabili al traffico veicolare, non risulta certamente semplice, numerose ricerche si sono susseguite negli anni e gli esiti di una di queste, che tuttora rappresenta una fonte autorevole in materia è quella realizzata negli Stati Uniti, più precisamente nella città di Washington da D. G. Shaheen nel 1975 di cui si riportano nella tabella xxx i risultati più significativi: Solidi organici 5.1 BOD 0.23 COD 5.4 Oli 0.64 Fosforo totale 0.06 Piombo 1.2 Tabella 1.4 - Percentuali in massa dei solidi totali degli inquinanti dovuti al traffico veicolare [D. G. Shaheen, 1975]
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Occorre inoltre osservare che nei pressi del marciapiede e all’interno di una fascia larga un metro, può accumularsi una quantità di sedimenti pari a circa il 95% del valore totale presente sulla sede stradale (Tabella 1.5)
Accumulo di solidi [gr/mmarciapiede al giorno] (a)
(b)
Residenziali-bassa densità
10,4
48
Residenziali-alta densità
34,2
66
Commerciali
49,1
69
Industriali
68,4
127
Caratteristiche della zona
Tabella 1.5 – Solidi accumulati lungo il marciapiede secondo (a) APWAW, Washington; (b) Sartor J.D., Boyd G.B., Agardy F.J. 1.3.2
L’atmosfera
Una parte rilevante del carico inquinante delle acque di dilavamento proviene dall’atmosfera, le cui caratteristiche di inquinamento sono a loro volta funzione delle emissioni gassose industriali e civili, del traffico veicolare e delle particelle trasportate dagli agenti atmosferici. Durante i periodi di tempo secco si verifica, infatti, il deposito di polveri presenti in atmosfera, mentre durante gli eventi di precipitazione avviene il dilavamento del particolato atmosferico o di altre sostanze inquinanti preesenti in atmosfera. In particolare il carico inquinante di origine atmosferica riguarda principalmente i composti disciolti (solidi disciolti, cloruri, sodio). In una ricerca condotta da Bellinger nel 1982 su 11 eventi monitorati in media circa il 2% dei composti ionici (quali Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, So42-) e il dieci percento dei solidi sospesi (rispetto al carico totale delle acque di dilavamento) provenivano dall’atmosfera. Per ogni evento i valori erano tuttavia estremamente variabili con punte del 78% per i costituenti ionici e del 48% per i solidi sospesi. Infine la pioggia rappresenta il mezzo attraverso cui il particolato, originato dagli scarichi veicolari si rideposita a terra. Tramite il monitoraggio di campioni di pioggia (prelevati prima del contatto con la superficie) è stato verificato che la qualità delle acque meteoriche potrebbe influenzare significativamente le concentrazioni di Fosforo e Azoto totali, presenti nelle acque di scolo, (come illustrato in Tabella 1.6)
14
Inquinante
Deposizione causata dalla pioggia [mg/l]
Solidi Sospesi
5-70
COD
8-27
Solfati
5-46
Fosforo totale
0,02-0,37
Azoto nitrico
0,5-0,4,5
Piombo
0,03-0,12
Zinco
0,05-0,38
Tabella 1.6 - Deposizione di inquinanti causata da pioggia e neve (da Bazzurro et al., 2000)
1.3.3
Le superfici a tetto
Negli anni ‘90 è stato evidenziato come il dilavamento delle superfici a tetto rappresenti una fonte di inquinamento considerevole (Chang e Crowley, 1993; Foster 1996). Negli scorsi decenni, infatti, lamiere zincate e fogli di rame sono stati comunemente utilizzati sia come materiale di copertura sia per la realizzazione di pluviali (ad esempio l’ 80% dei tetti di Parigi sono coperti con lamiere di zinco). Qualsiasi metallo esposto agli agenti atmosferici è soggetto a un processo di corrosione; la composizione e la natura dei prodotti di corrosione che si formano sugli strati superficiali, dipendono principalmente dalle condizioni ambientali in termini di unidità, temperatura, deposizione di particolato atmosferico e inquinanti gassosi, quali biossido di zolfo, SO2, ossidi di azoto, NOx, ozono, O3, acido cloridrico, HCl, cloruro di sodio, NaCl e solfato di ammonio, (NH4) 2SO4. La presenza di elevate concentrazioni di metalli pesanti, in particolare Zn, Cd, (costituente dei prodotti dello zinco) Cu e Pb, nelle acque di scolo provenienti dalle superfici a tetto sono quindi imputabili al materiale di copertura, alle grondaie e ai telai delle finestre. Tali inquinanti, presenti in forma disciolta, se direttamente scaricati, possono avere effetti tossici sui corpi idrici naturali, inoltre costituiscono una potenziale fonte di contaminazione del terreno, attraverso locali infiltrazioni. Inquinanti quali COD, composti organici, metalli pesanti ed elementi nutritivi, possono legarsi attraverso processi di adsorbimento/assorbimento (Hogland et al., 1984) alle
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particelle solide, che rappresentano così uno dei principali veicoli di trasporto degli inquinanti. In generale, i solidi sospesi sono quindi ritenuti un buon indicatore per la stima del carico inquinante. Fonte principale di tali solidi è rappresentato dall’erosione del manto stradale, che genera circa il 40-59% dei solidi totali con caratteristiche granulometriche estremamente differenti, che si estendono da valori inferiori al μ m sino ad oltre 104
μ m e con valore di peso specifico variabili tra 1,8 e 5,0 g/cm3; l’abrasione dei pneumatici, invece, genera circa il 20-30% del materiale solido con particelle di diametro inferiore ai 20 μ m e peso specifico tra 1,5-1,8 g/cm3. E’ stato evidenziato che le caratteristiche granulometriche e la massa del particolato rivestono un ruolo significativo nella distribuzione e nei processi di trasporto di inquinanti quali i metalli pesanti. Diverse ricerche (Thomson et al., 1997) infatti sono state svolte allo scopo di individuare quali tra solidi sospesi (TSS), solidi volatili (VSS) e solidi disciolti totali (TDS) risultassero gli indicatori maggiormente rappresentativi del carico inquinante. Alcuni ricercatori (Sansalone et al., 1995) hanno invece studiato la distribuzione della concentrazione dei metalli, rispetto alla dimensione delle particelle. In passato gli studi sperimentali condotti in tale direzione, indicavano come le più elevate concentrazione di metalli, in fase aggregata, fossero associabili alle particelle più fini. Relativamente alla concentrazione tali correlazioni risultano corrette, ma sono state causa di erronee interpretazioni, che hanno portato ad affermare che la maggioranza dei metalli pesanti, in termini di massa, è presente sulle particelle più fini, senza nessuna considerazione granulometrica. Includendo la valutazione di parametri quali la curva di distribuzione granulometrica, PSDs, la superficie, SA e la superficie specifica delle particelle, SSA, è stato recentemente dimostrato che la massa totale dei metalli pesanti è prevalentemente associata con particelle medio-grossolane di origine inorganica (valore del peso specifico intorno ai 2,65 g/cm3) e che la sua distribuzione è fortemente correlata all’area superficiale delle particelle. Per quanto riguarda la concentrazione di BOD5 e COD, è stata verificata una stretta correlazione con i solidi totali in sospensione.
16
1.4 Il fenomeno del “first flush” ed il “washoff” Il fenomeno del first flush, inteso come la prima parte del volume delle acque di scolo contenente la maggior parte del carico inquinante che viene dilavato durante un evento di precipitazione, è stato ed è tutt’oggi oggetto di studi. Molti autori hanno individuato l’occorrenza del first flush, in corrispondenza del verificarsi di un picco di concentrazione nella fase iniziale di un evento meteorico. Il volume di acqua di prima pioggia considerato corrisponderebbe quindi al volume defluito, fino al momento in cui si verifica il picco di concentrazione. Per stabilire quali tra le caratteristiche idrologiche, climatiche, morfologiche del bacino e del sistema fognario, influenzino il processo sono state fornite diverse ipotesi. In Tabella 1.7 sono evidenziati i principali fattori ritenuti determinati per il verificarsi del fenomeno del first flush. Fattori idrologici
Fattori climatici
Caratteristiche del bacino
Caratteristiche della rete fognaria
Altri fattori
−
Durata dell’ evento piovoso
−
Altezza di pioggia
−
Intensità di pioggia
−
Forma dell’idrogramma
−
Volume di acqua di scorrimento superficiale
−
Periodo di tempo secco antecedente
−
Intensità delle piogge antecedenti
−
Periodo dell’anno
−
Temperatura
−
Area
−
Pendenza
−
Forma
−
Utilizzo del suolo/tipo superficie
−
Tipologia (mista/separata)
−
Struttura (dimensioni, pendenza)
−
Densità di traffico
−
Qualità delle acque di pioggia
Tabella 1.7 – Fattori che influenzano il fenomeno del first flush (L.G. Lanza, 2003) I primi approcci scientifici, svolti a partire dalla metà degli anni '90, hanno dimostrato che in sistemi fognari unitari, l’entità del carico inquinante (in particolare solidi sospesi) 17
nel first flush, è influenzato quasi equamente dal periodo antecedente di tempo asciutto, dal picco di intensità e dalla durata della precipitazione. Ulteriori sviluppi della ricerca hanno consentito di approfondire maggiormente il processo del washoff e da questi è emerso, come invece siano: il periodo antecedente di tempo secco e l’intensità di pioggia ad influenzare in maniera significativa l’occorrenza e l’entità del first flush. Il primo influenza principalmente il processo di deposizione di tali inquinati sul manto stradale, sui tetti, e nella rete fognaria; il secondo invece caratterizza il processo di dilavamento.
1.5 Gli effetti della pulizia delle strade eseguita con mezzi meccanici Ogni qualvolta vengono effettuate operazioni di pulizia della sede stradale, una parte del materiale solido accumulatosi durante i giorni secchi precedenti viene rimosso. La pulizia può essere effettuata mediante lavaggio con autobotti oppure utilizzando macchine spazzatrici (figura 1.3), provviste di due spazzole che ruotano in direzione opposta e convogliano il materiale raccolto in direzione della bocca di aspirazione; degli ugelli, posizionati lateralmente alle spazzole, spruzzano acqua, permettendo così al materiale aspirato di amalgamarsi e alla polvere di non essere risoffiata all’esterno.
Figura 1.3 - Esempi di spazzatrici utilizzate per la pulizia della superficie stradale
Vari studi hanno mostrato come le operazioni di pulizia presentino una buona efficienza nella rimozione del materiale di diametro superiore al millimetro, ma con maggiore difficoltà riescono a rimuovere il particolato di dimensioni minori: per materiale di
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dimensioni inferiori a 43 µm solo il 15 % circa del materiale viene raccolto, mentre per quello con dimensione minore a 246 µm ne rimane a terra il 52%.
Dimensioni delle particelle (µm) 0 - 40 40 - 100 100 - 250 250 - 850 850 - 2000 > 2000
Efficacia di rimozione (%) 16 0 48 60 67 79
Tabella 1.8 - Tassi di rimozione caratteristici delle operazioni di pulizia [Sartor, Boyd, 1972; Pitt, 1979 e 1985] Il problema si aggrava se si considera che, come già sottolineato in precedenza, la parte maggiore del potenziale inquinante è associata alla frazione più fine dei sedimenti solidi accumulati sulla superficie stradale. Queste particelle sono anche le più pericolose perché possono contaminare molto più facilmente le acque di drenaggio in quanto, per la loro stessa natura, si aggregano fra loro per poi cementarsi. Si riportano in tabella le efficienze di rimozione di diversi mezzi di pulizia, in funzione del tipo di inquinante asportato [Clark e Cobbins, 1963; Sartor et al., 1972; Pitt, 1979].
Programmi di pulizia al Solidi BOD5 variare delle condizioni di accumulo Spazzatrice ad aspirazione - solidi totali: 5-50 g/m 1 passaggio 31 24 2 passaggi 45 35 3 passaggi 53 41
COD
Pesticidi
Pb
PO4
16 22 27
33 50 59
40 59 70
8 12 14
40 59 67
49 68 76
12 17 20
57 72 75
62 79 83
20 25 26
Pesticidi
Pb
PO4
*
*
*
**
**
**
Spazzatrice ad aspirazione - solidi totali: 50-280 g/m 1 passaggio 37 29 21 2 passaggi 51 42 29 3 passaggi 58 47 35 Spazzatrice ad aspirazione - solidi totali: 50-500 g/m 1 passaggio 48 38 33 2 passaggi 60 50 42 3 passaggi 63 52 44 Programmi di pulizia al Solidi BOD5 COD variare delle condizioni di accumulo Autobotte per * 30 * innaffiamento Spazzatrici dopo un ** 80 ** passaggio con autobotte * stimato 15-40 %; ** stimato 35-100 %
Tabella 1.9 - Efficienza dei mezzi meccanici di pulizia [Clark e Cobbins, 1963; Sartor et al., 1972; Pitt, 1979] 19
Nonostante la scarsa efficienza dei mezzi di pulizia, comunque, un adeguato programma di pulizia in tempo secco è in grado di eliminare notevoli quantità di inquinanti che entrerebbero nella rete fognaria in tempo di pioggia, ingrossando la portata nera iniziale con apporti di acqua che non ha più proprietà diluenti. È bene quindi programmare le operazioni di pulizia che devono essere effettuate con mezzi adeguati.
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Capitolo 2. Il controllo delle acque meteoriche di dilavamento
Un sistema di drenaggio urbano è costituito dalle opere di drenaggio superficiale (caditoie e cunette, allacciamenti privati), dalle canalizzazioni destinate al coinvolgimento delle acque meteoriche di dilavamento e delle acque reflue di origine civile e produttiva, dagli eventuali manufatti di controllo idraulico e ambientale (scaricatori di piena, vasche di prima pioggia e vasche volano), dalle eventuali stazioni di sollevamento, dai manufatti di scarico e dall’impianto di trattamento. Tutto il sistema deve essere concepito in modo unitario e coerente per evitare le disfunzioni che emergono quando rete di drenaggio e impianto di trattamento sono progettati indipendentemente l’uno dall’altro. Il sistema di drenaggio nel suo complesso deve essere efficiente e compatibile con l’ambiente circostante, cioè: •
la frequenza delle insufficienze della rete deve essere economicamente compatibile con i danni da esse arrecati agli insediamenti residenziali e produttivi serviti;
•
le massime portate recapitate ai corpi idrici riceventi non devono eccedere la loro capacità idraulica di trasporto;
•
i carichi inquinanti effluenti dagli scarichi delle acque meteoriche e dagli impianti di trattamento devono globalmente essere compatibili con i ricettori; non devono produrre effetti di tossicità né acuti ne di lungo periodo per accumulo.
Il dibattito sulle fognature unitarie e separate è ancora attuale, poiché lo sviluppo delle conoscenze conduce a continui aggiornamenti sulla presenza significativa di sostanze inquinanti, non solo nelle acque reflue ma anche nelle acque meteoriche e nelle altre acque superficiali e sotterranee. L’approccio classico che prevedeva il sistema separato come risposta migliore all’efficienza depurativa, è stato oggi rivisto alla luce delle nuove conoscenze sull’inquinamento delle acque meteoriche urbane.
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Una buona risposta alle esigenze prima elencate, può ottenersi con entrambe le tipologie unitarie o separate di sistemi fognari, purché entrambe siano dotate delle moderne tecnologie di invaso e scarico; la scelta motivata dell’uno e dell’altro sistema, deve allora derivare caso per caso dalle analisi delle condizioni ingegneristiche, ambientali ed economiche legate alla specifica situazione.
2.1 Il sistema di drenaggio unitario o a rete separata Un sistema di drenaggio può essere, come detto, a rete separata o a rete unitaria (mista); nel primo caso la fognatura consta di due canalizzazioni distinte, una per le acque reflue derivanti dagli scarichi civili ed industriali (acque nere) le quali vengono convogliate al depuratore ed una per le acque meteoriche (acque bianche), le quali vengono normalmente scaricate nei corpi idrici ricettori senza essere trattate. I sistemi di tipo unitario o misto, invece, adottano una unica canalizzazione per entrambe le acque: in tempo secco sono presenti solamente le nere, mentre negli eventi di pioggia ad esse si aggiungono le bianche, cosicché al depuratore arriva la cosiddetta portata nera diluita, mentre l’eccesso di portata durante le piogge di particolare intensità viene scaricata direttamente nel ricettore tramite appositi manufatti. Per ragioni storiche, in Italia come nel resto del mondo, le fognature del tipo misto sono assai più numerose. In passato infatti il problema ambientale era poco avvertito, essendo i corsi d’acqua non ancora caratterizzati dal forte degrado qualitativo che oggi tutti noi conosciamo, perciò il controllo dell’impatto degli scarichi sull’ambiente era affidato alla sola diluizione dei carichi inquinanti nei corpi idrici ricettori, per altro quasi sempre garantita in corrispondenza dei recapiti e degli organi di sfioro. L’inquinamento crescente ha però mutato radicalmente i termini della questione: i corsi d’acqua mostravano capacità auto depurative insufficienti, non potendo più ricevere scarichi che non fossero stati trattati o che non fossero già fortemente diluiti. Si giunse al punto in cui sembrava razionale l’idea della separazione delle reti, poiché si riteneva che le acque di provenienza meteorica fossero pulite e quindi in grado di essere inviate direttamente al ricettore senza trattamento, perchè non corrotte dalla miscelazione con le “nere”. L’invio al depuratore delle sole acque nere avrebbe avuto 23
un doppio beneficio: limitare le dimensioni dell’impianto e migliorarne l’efficienza; sia perchè le portate nere ed i carichi inquinanti ad esse associati, sono più regolari nel tempo, sia perchè una loro eccessiva diluizione, quale quella operata dalle portate di pioggia negli eventi di piena, rende invece più difficoltoso il trattamento. Contemporaneamente lo sviluppo urbano determinava anche un problema idraulico, imputabile al sottodimensionamento delle reti esistenti nei confronti delle nuove e consistenti aliquote di portata generate dall’insediamento di nuove aree. Come evidenziato però nel capitolo precedente, alle acque meteoriche risultano associati carichi inquinanti non trascurabili, diviene così meno logica la scelta fatta a priori di separare le acque. Nei sistemi separati i collettori delle acque piovane sono per dimensione, quasi identici a quelli della rete unitaria, ma essendo percorsi solo saltuariamente da acqua, per di più meno aggressiva, possono essere costruiti in materiali meno pregiati. I collettori della rete nera, invece, hanno problemi di pulizia dovuti alla mancanza di lavaggio da parte dell’acqua piovana, essendo per altro scarsi i casi in cui i dispositivi di cacciata sono in funzione; le scarse pendenze aggravano il problema. Nelle realizzazioni consuete la rete bianca scarica direttamente nei ricettori, senza separare le portate di prima pioggia, con evidente danno ambientale. L’utilizzo di reti separate è consigliabile nelle zone industriali, perchè le acque reflue in tempo secco caratterizzate in maniera decisa dalle acque dei processi produttivi, le quali ancorché pretrattate, rischierebbero di degradare ulteriormente le acque meteoriche con sostanze nocive e tossiche che inevitabilmente raggiungerebbero i ricettori. I collettori delle reti unitarie vengono dimensionati in base alle portate di pioggia, assai superiori a quelle reflue in occasione degli eventi di progetto. Avendo le precipitazioni durata contenuta, per la maggior parte del tempo la fognatura è percorsa dalle sole acque nere, con portate esigue e basse velocità, col rischio che i solidi sedimentino e, incrostando il fondo del tubo, diminuiscano la sezione utile, nonché il rischio di insorgenza di fenomeni anaerobici putrefattivi (maleodore). E’ vero altresì che il lavaggio dei condotti ad opera delle piogge è abbastanza frequente, cosicché una fognatura mista dotata di normali pendenze si mantiene abbastanza pulita. Particolarmente importante è la questione del dimensionamento delle opere di sfioro della portata di supero negli eventi di piena, in quanto bisogna conciliare due esigenze
24
contrapposte: una del depuratore, che può accettare portate in ingresso di poco superiori alla portata nera media di tempo secco, l’altra legata alla portata sfiorata che deve essere abbastanza diluita per non caricare troppo il ricettore di inquinanti. La pratica progettuale e le normative di settore suggeriscono portate nere diluite commisurate a 2,5 ÷ 5 volte le portate nere medie; le portate di prima pioggia sono pertanto 1,5 ÷ 4 volte le portate nere medie con un discreto beneficio ambientale, che può essere incrementato con l’adozione di invasi aggiuntivi (vasche di prima pioggia) o l’utilizzazione
spinta
dell’invaso
interno
delle
canalizzazioni
per
trattenere
temporaneamente poi rilasciare e inviare alla depurazione l’aliquota più inquinata delle acque meteoriche.
2.2 I sistemi di controllo degli scarichi Durante le precipitazioni si formano in ambito urbano portate meteoriche che solo in parte possono essere regolarmente accolte, convogliate, depurate e scaricate dalla rete fognaria. Il limite di carattere idraulico consiste nell’incapacità dei collettori a sostenere le portate degli eventi più rari ed intensi, nonostante siano dimensionati sulla base di eventi comunque rilevanti. Le portate esuberanti rispetto alle capacità della rete devono dunque essere sfiorate attraverso opportuni manufatti. Esiste un altro limite legato alle caratteristiche dei processi biochimici dei normali impianti depurativi civili, che hanno un buon rendimento se lavorano con portate non troppo più grandi della portata nera media di tempo secco. L’esigenza di mandare alla depurazione portate basse si scontra, come si diceva, con l’esigenza opposta di limitare al massimo gli sversamenti al ricettore. Sussiste dunque, questo fondamentale problema del controllo delle portate meteoriche, allo scopo di innalzare il livello della protezione ambientale ed idraulica del territorio urbano ed extra urbano. Tale obiettivo può essere perseguito efficacemente con lo sfruttamento degli invasi propri della rete fognaria (invasi in linea) o situati all’esterno di essa (invasi fuori linea) Essi possono assolvere sia alla funzione ambientale, poiché possono trattenere ed escludere dallo scarico una notevole percentuale degli inquinanti veicolati dalle acque meteoriche, soprattutto quelle relative all’inizio dell’evento (le prime piogge), 25
consentendone il successivo invio al trattamento depurativo, sia alla funzione idraulica, perchè possono laminare le portate di massima piena, riducendo il pericolo di incontrollati allagamenti superficiali. In ultima analisi risulta evidente come per esercitare un controllo ambientale ed idraulico dei deflussi in fogna sono necessari uno o più dei seguenti manufatti: •
scaricatori o ripartitori
•
vasche di prima pioggia
•
vasche volano o di laminazione
2.2.1
Il controllo ambientale degli scarichi
Assodato che l’inquinamento dilavato dalle acque meteoriche sulle superfici urbane può essere assai rilevante, ormai da molti anni numerose normative italiane ed estere richiedono di dotare le aree urbanizzate e i corrispondenti sistemi fognari di strutture idonee a ridurre efficacemente l’impatto sul ricettore, derivante da tale componente dei deflussi urbani. In generale, il controllo degli scarichi di origine meteorica finalizzato alla riduzione dell’impatto inquinante sui corpi idrici ricettori, può essere attuato mediante interventi strutturali o non strutturali. Gli interventi non strutturali consistono nell’attuazione di protocolli di manutenzione delle pavimentazioni stradali urbane, atti ad asportare frequentemente con appositi automezzi le polveri e i depositi organici ed inorganici. La frequenza e la tipologia dei mezzi di lavoro influenzano decisamente il risultato conseguito, che può consentire un rilevante abbattimento delle sostanze inquinanti. Tra i provvedimenti non strutturali possono anche includersi quelli riguardanti le caditoie stradali, ove queste siano atte a intrappolare i solidi in ingresso, in attesa dell’arrivo degli automezzi deputati al loro svuotamento periodico. Gli interventi strutturali sono principalmente attuati nelle reti fognarie urbane mediante scaricatori di piena e vasche di prima pioggia, secondo diversi schemi impiantistici che prevedono: •
l’impiego di soli scaricatori di piena;
•
l’impiego congiunto di scaricatori di piena e vasche di prima pioggia in linea; 26
•
l’impiego congiunto di scaricatori di piena e di vasche di prima pioggia fuori linea.
Nelle reti pluviali destinate al drenaggio di pavimentazioni esterne ai centri urbani (aree di servizio e di parcheggio, autostrade ed arterie a grande viabilità) gli interventi strutturali prevedono spesso l’adozione, in corrispondenza dei punti di scarico opportunamente centralizzati, di impianti di trattamento appropriato realizzato normalmente con grigliatura, sedimentazione e separazione di oli e grassi. Sono in atto esperienze interessanti anche con trattamenti diffusi di tipo chimico-fisico in corrispondenza dei terminali di brevi e frequenti reti di drenaggio stradale.
Reti con scaricatori di piena In merito ai sistemi di drenaggio urbano, gli schemi indicati di seguito in Figura 2.1, si riferiscono ai casi in cui il controllo dello scarico nel ricettore avviene semplicemente mediante un manufatto (scaricatore di piena) che consente lo scarico nel ricettore solo quando la portata supera un valore di soglia prefissato.
Figura 2.1 – Schemi di reti unitarie e separate con manufatto ripartitore
27
Reti unitarie Per le fognature unitarie, la portata di inizio sfioro viene individuata adottando un oppotuno valore del rapporto di diluizione r, generalmente scelto nell’intervallo 2,5-5, definito come rapporto fra la portata complessiva in arrivo nera e meteorica, normalmente denominata portata di soglia (o portata nera diluita) Qs, a partire dalla quale durante la pioggia si attiva lo sfioro e la portata nera media di tempo asciutto Qn,m. Dunque nell’istante di inizio sfioro la portata Qs = r ⋅ Qn ,m complessivamente derivata verso la depurazione, è costituita dalla somma della portata nera media Qn,m e della portata meteorica ( r − 1) ⋅ Qn ,m . Tale funzionamento è schematizzato nel grafico di figura 2.2.
Figura 2.2 – Funzionamento di uno scaricatore di piena posto su rete unitaria. Con tale soluzione, quindi, i sistemi unitari consentono di avviare alla depurazione una significativa aliquota di acque meteoriche, con un beneficio ambientale non trascurabile. Tuttavia, il controllo quali-quantativo dello scarico nei corpi idrici basato esclusivamente sull’utilizzazione nelle reti urbane di scaricatori di piena non può
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ritenersi sufficiente, dal momento che con il regime pluviometrico del nostro e di molti altri paesi, caratterizzato da precipitazioni saltuarie, irregolari e con intensità medie significative, la sola utilizzazione degli scaricatori di piena, secondo gli schemi proposti precedentemente in figura 2.2, non consente di ridurre sensibilmente l’impatto sui ricettori in tempo di pioggia. In pratica, infatti, lo sfioro e il conseguente scarico di inquinanti avviene molte decine di volte l’anno. Con tali dispositivi quindi non è possibile limitare efficacemente né il numero di scarichi annui, ne le masse di inquinanti scaricate, né le concentrazioni degli inquinanti allo scarico, neppure adottando valori elevati del rapporto di diluizione r, che comunque comporterebbero elevati oneri di investimento sia per le reti di drenaggio che per gli impianti di trattamento e maggiori oneri gestionali di questi ultimi. I processi di formazione, accumulo e rimozione degli inquinanti nel bacino e nella rete di drenaggio sono governati da fattori caratterizzati da elevata aleatorietà e ciò determina una forte variabilità da evento a evento, delle caratteristiche qualitative delle acque di drenaggio urbane, ne consegue che necessariamente l’efficacia degli scaricatori di piena, così come quella delle vasche di prima pioggia, non può che essere valutata in termini statistici attraverso l’uso di modelli di simulazione continua a base fisica (il modello inglese InfoWorks di HR Wallingford, utilizzato in questo lavoro di tesi) opportunamente tarati sulla base di eventi dettagliatamente monitorati.
Reti separate Nel caso di fognature separate, l’adozione degli scaricatori di piena secondo lo schema inizialmente proposto, deriva dalla volontà di escludere dallo scarico diretto nel ricettore una portata meteorica di base Qlim, ritenuta inquinanta per presenza o di ineliminabili allacciamenti neri o, comunque, di sostanze indesiderabili nelle acque di dilavamento delle superfici urbane. Lo schema di funzionamento è quello di figura 2.3;
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Figura 2.3 – Funzionamento di uno scaricatore di piena posto su rete separata. si osservi che, con tale schema è improprio definire la portata Qlim come portata di “prima pioggia” dal momento che essa perdura per tutta la durata del deflusso meteorico. La portata di soglia Qlim dello scaricatore, non potendo essere definita in base al rapporto di diluizione r, non essendo presenti o non essendo note, le portate nere, è adottata tenendo conto dei limiti di compatibilità dell’impianto di depurazione. Per gli aspetti quantitativi (numero medio annuo degli sfiori e volume medio annuo scaricato) l’effetto ottenibile nelle reti separate con l’adozione degli scaricatori di piena, è analogo a quello indicato per le reti unitarie; per gli aspetti qualitativi il risultato è presentato più oltre.
Reti con scaricatori di piena e vasche di prima pioggia Le vasche di prima pioggia eventualmente accoppiate a scaricatori di piena, mirano all’accumulo temporaneo della parte del volume di piena da avviare alla depurazione. Solo quando tale volume è stato completamente riempito, entra in funzione lo scarico verso il ricettore delle portate in arrivo eccedenti. Lo svuotamento della vasca può
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avvenire o mediante pompaggio o tramite una bocca di controllo dello scarico di fondo tarata per la portata desiderata. Gli schemi indicati nelle figura 2.4, 2.5 di seguito riportata si riferiscono ai casi in cui il controllo delle portate scaricate nel ricettore è effettuato mediante una vasca di prima pioggia in linea, attraverso la quale sono accumulate, per essere inviate alla depurazione, le prime acque di pioggia; a completo riempimento della vasca, la portata eccedente quella inviata alla depurazione viene scaricata nel ricettore.
Figura 2.4 – Schemi di reti unitarie e separate con vasca di prima pioggia in linea.
Figura 2.5 – Schemi di reti unitarie e separate con vasca di prima pioggia fuori linea..
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Il controllo delle portate scaricate nel ricettore può avvenire mediante una vasca di prima pioggia fuori linea alimentata attraverso uno scaricatore di piena quando, in tempo di pioggia, la portata ha superato un prefissato valore di soglia, al disotto del quale la portata in arrivo viene invece inviata tutta alla depurazione. Il sistema di alimentazione della vasca è munito di un dispositivo che consente di escludere la vasca a riempimento avvenuto, onde evitare la miscelazione dell’acqua invasata con le successive acque di dilavamento, generalmente meno inquinante. Raggiunto il completo riempimento della vasca, la portata eccedente rispetto a quella inviata alla depurazione viene scaricata nel ricettore attraverso lo scaricatore di piena. Al temine dell’evento le acque accumulate in vasca vengono inviate al trattamento. Con quest’ultimo schema funzionale, l’efficacia delle vasche di prima pioggia risulta ottimale poiché si raggiunge la massima riduzione della frequenza del volume degli scarichi nel ricettore e del carico inquinante in esso sversato. Le figure 2.6 e 2.7 di seguito riportate mostrano il funzionamento qualitativo delle vasche di prima pioggia, rispettivamente del tipo in linea su sistemi separati e del tipo fuori linea per sistemi separati e unitari e come esse consentano di incrementare molto efficacemente la rimozione dallo scarico di importanti aliquote di volumi idrici e carichi inquinanti.
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Figura 2.6 – Funzionamento di uno scaricatore di piena e di una vasca di prima pioggia posta in linea su rete separata.
Figura 2.7 – Funzionamento di uno scaricatore di piena e di una vasca di prima pioggia posta fuori linea su rete separata.
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Figura 2.8 – Funzionamento di uno scaricatore di piena e di una vasca di prima pioggia posta fuori linea su rete unitaria. La grande efficacia delle vasche di prima pioggia, anche con dimensioni relativamente contenute è anche legata al fenomeno del cosiddetto first flush, ben evidenziato dall’evento sperimentale riportato di seguito in figura 2.9, verificatosi nel territorio modenese nei giorni 9-10-11/12/1996;
Figura 2.9 – Condizione di first flush nella sezione di chiusura del bacino del Naviglio
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in cui si osserva come il trasporto degli inquinanti si concentri nella prima parte dell’evento, infatti si assiste ad un picco di portata solida (in colore marrone) temporalmente anticipato rispetto al colmo di piena (in colore verde). E’ interessante notare inoltre come l’influenza dell’intensità dello scroscio sulla massa di solidi sospesi mobilitata sia qui messa in evidenza; dopo un primo picco di portata solida, coincidente con uno scroscio iniziale di bassa intensità, si assiste ad un incremento del picco della portata solida coincidente invece con un intensità dell’evento sensibilmente maggiore. A quest’ultimo picco di portata solido segue un andamento discendente del pollutogramma, nonostante l’evento pluviometrico sia ancora in piena evoluzione, ciò a significare come il bacino a monte di tale sezione di rilievo sia stato completamente “lavato” da questo scroscio iniziale. Statisticamente tale fenomeno è più frequente, anche se talvolta possono verificarsi isolati fenomeni di “last flush” legati a particolari combinazioni della distribuzione areale della precipitazione e della cinematica del bacino.
2.3 Nuovi sistemi di controllo quali-quantitativo delle acque meteoriche urbane a monte delle reti fognarie Sono in atto in tutto il mondo ricerche per nuove tecnologie dei sistemi di drenaggio urbano atte a limitare quanto più possibile l’impatto sui ricettori dovuto agli scarichi delle acque meteoriche. Tali nuove tendenze riguardano i provvedimenti atti a permettere il controllo qualiquantitativo delle acque meteoriche a monte delle reti fognarie, unitarie o separate che siano. Si tratta di provvedimenti a carattere diffuso sul territorio urbano che consistono in generale: •
nell’incremento delle possibilità di infiltrazione diretta nel suolo, senza trattamento, delle acque meteoriche considerabili esenti da inquinanti e quindi essenzialmente di quelle afferenti a tetti e coperture non accessibili a veicoli automobilistici ne interessate da emissioni o scarichi derivanti da attività commerciali, industriali e artigianali;
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•
nell’incremento delle possibilità di infiltrazione nel suolo previ idonei invasi in vasche di pioggia atti alla laminazione delle portate e successivi trattamenti appropriati, delle acque meteoriche di dilavamento di superfici accessibili a veicoli automobilistici o interessate da emissioni o scarichi derivanti da attività commerciali, industriali e artigianali;
•
nell’adozione, per le acque meteoriche non infiltrabili nel suolo, di invasi di pioggia atti alla laminazione delle portate e di successivi trattamenti appropriati, atti a consentire o lo scarico diretto nel reticolo superficiale di acque compatibili con i primi citati “standard intermittenti” di qualità o l’allacciamento alla rete fognaria di acque compatibili sia con le attrezzature della stessa sia con le caratteristiche dell’impianto centrale di depurazione.
La figura di seguito riportata (Figura 2.10) illustra alcuni provvedimenti che possono essere adottati per incrementare l’infiltrazione nel suolo.
Figura 2.10 – Aree filtranti realizzate con spazi verdi, cunette e fossi permeabili
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Ovviamente l’adozione di tali provvedimenti è subordinata all’accertamento della qualità delle acque meteoriche, ovvero all’adozione di strutture drenanti atte a far prevenire le acque di infiltrazione in successivi impianti di trattamento appropriato, prima della loro definitiva infiltrazione nel sottosuolo. Ad esempio le acque meteoriche drenate da aree di parcheggio automobilistico possono essere raccolte in strutture di invaso interrate al di sotto della superficie, nel cui intento siano anche contenuti i trattamenti chimico-fisici idonei per la successiva infiltrazione nel suolo. In tutti i casi in cui sono previsti trattamenti delle acque a monte del loro scarico o nel suolo o nel reticolo superficiale o in fognatura, devono essere previste vasche di pioggia atte alla laminazione delle portate meteoriche, giacché i trattamenti non possono tollerare le improvvise variazioni di portata e i rilevanti valori di punta che possono generarsi durante gli eventi soprattutto con riferimento ai valori molto bassi dei tempi di corrivazione tipici delle piccole superfici scolanti coinvolte in tali interventi diffusi. E’ da sottolineare che i nuovi indirizzi tecnologici, precedentemente descritti richiedono regolamentazioni ufficiali e regole gestionali e di manutenzione preventivamente studiate.
37
38
Capitolo 3. I modelli numerici di simulazione quali-quantitativa
Premessa Da qualche anno a questa parte, in campo ingegneristico, si assiste allo sviluppo sempre maggiore di modelli numerici per l’interpretazione dei fenomeni fisici. L’applicazione di questi modelli è spesso necessaria e determinante per un analisi approfondita delle problematiche e dei possibili scenari risolutivi. I modelli per le reti di drenaggio urbano sono costituiti da un insieme di procedure volte principalmente alla valutazione dell’andamento nel tempo delle portate, dei tiranti idrici e degli inquinanti nei canali e nelle strutture accessorie costituenti la rete fognaria in conseguenza di eventi di pioggia dei quali sia nota la distribuzione spaziale e temporale. La sensibilità nei confronti dei problemi di carattere ambientale come l’inquinamento delle acque meteoriche urbane e la conseguente necessità di gestire oculatamente gli scaricatori di piena, i bacini di laminazione e le vasche di prima pioggia, nonché gli impianti di depurazione sono i principali motivi che inducono all’utilizzo dei modelli di simulazione. Nel corso degli ultimi decenni numerosissimi modelli di drenaggio sono stati sviluppati, perfezionati, resi più completi, e applicati con successo ai problemi di pianificazione, progettazione, gestione e ripristino dei sistemi di drenaggio. Adatti modelli matematici di drenaggio urbano, permettono di perseguire i seguenti obiettivi: •
Determinazione delle effettive distribuzioni di probabilità delle portate al colmo e dei volumi di piena nelle varie sezioni d’interesse.
•
Determinazione
dell’impatto
conseguente
all’esercizio
degli
scaricatori di piena in termini di frequenza degli scarichi, dei volumi e degli inquinanti scaricati. •
Determinazione delle prestazioni ottenibili con i bacini di laminazione in termini di qualità e quantità.
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•
Simulazione dei fenomeni di piena connessi a eventi di tempo di ritorno maggiore di quelli compatibili con le canalizzazioni e conseguente studio delle alternative di controllo delle piene eccezionali.
•
Gestione in tempo reale delle reti di fognatura e degli impianti di depurazione al fine di ottimizzare le capacità d’invaso delle reti e diminuire l’impatto quali-quantitativo sui ricettori.
•
Gestione ottimale degli impianti di sollevamento e conseguenti risparmi energetici.
Naturalmente ai vantaggi che possono essere conseguiti tramite l’uso di modelli matematici corrispondono maggiori oneri derivanti sia dal maggiore carico della fase computazionale sia dalla necessità di dover disporre di una notevole mole di dati riguardanti le piogge in ingresso e la descrizione delle caratteristiche fisiche e idrauliche del bacino e della rete di drenaggio.
3.1 La classificazione dei modelli di drenaggio urbano Sono possibili molteplici classificazioni dei modelli di drenaggio urbano, in funzione delle relazioni matematiche utilizzate per schematizzare i fenomeni fisici che si vogliono rappresentare e delle finalità che tali modelli si pongono nell’ottenimento dei risultati di calcolo. 3.1.1
Classificazione in dipendenza dello scopo del modello
Modelli di pianificazione I modelli di pianificazione si adottano nell’ambito delle attività di progettazione urbanistica e di controllo dello sviluppo dell’urbanizzazione. Si applicano a territori molto ampi con orizzonti temporali di lungo periodo, al fine di definire le scelte più generali per il controllo delle piene, degli inquinanti e per la gestione idraulica ottimale del territorio a larga scala.
40
Modelli di progetto I modelli di progetto si utilizzano per la determinazione del tracciato fognario, per il calcolo delle pendenze e delle sezioni dei collettori di un nuovo sistema di drenaggio urbano da realizzare o per l’ampliamento di una rete esistente. Modelli di simulazione I modelli di simulazione si impiegano per riprodurre con elevato dettaglio le condizioni di deflusso delle reti fognarie già progettate o esistenti e pertanto con caratteristiche dei canali note sia geometriche che idrauliche. La distinzione fra modelli di simulazione e quelli di progetto non è sempre netta in quanto un modello di simulazione può talvolta essere impiegato anche in fase di progetto, non viceversa. 3.1.2
Classificazione in base alla trasformazione afflussi-deflussi
Modelli empirici Nei modelli empirici non vengono esplicitamente presi in considerazione i fenomeni idrologici e idraulici che si svolgono sul bacino e nella rete. Questi modelli sono costituiti da operatori in grado di trasformare gli ingressi al sistema in uscite dal sistema stesso secondo un approccio “a scatola nera” black box. Modelli concettuali Nei modelli concettuali i fenomeni oggetto di studio vengono considerati simili ad altri, anche se differenti dal punto di vista fisico, ma adeguati a fornire risposte soddisfacenti. In generale nell’ambito dei deflussi urbani i modelli concettuali riguardano principalmente i fenomeni dell’invaso e del trasporto, fanno riferimento alla sola legge di conservazione della massa e schematizzano il bacino e la rete fognaria come un insieme di strutture idrauliche elementari, quali serbatoi e canali, connesse in modo vario.
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Modelli fisicamente basati Nei modelli fisicamente basati vengono studiati, talvolta anche con molto dettaglio, i diversi fenomeni fisici, tenendo conto della loro variabilità spazio-temporale. Spesso tali modelli nel campo dei deflussi urbani sono basati sia sulla legge di conservazione della massa sia sulla legge di conservazione della quantità di moto. La delimitazione fra modelli concettuali e modelli fisicamente basati, che è netta dal punto di vista teorico, risulta però, dal punto di vista operativo, non sempre evidente quando si adottino gravose semplificazioni per i modelli fisicamente basati o si dettaglino oltremodo quelli concettuali. 3.1.3
Classificazione in base alla variabilità spaziale delle grandezze.
Modelli globali Nei modelli globali il bacino è considerato nel suo insieme. La piena nella sezione di chiusura del bacino viene calcolata sulla base di una precipitazione di cui non si considera la variabilità spaziale e tramite un unico operatore rappresentativo del comportamento medio spaziale del bacino, non essendo tenuta in conto la variabilità spaziale delle diverse caratteristiche topografiche, idrauliche e riguardanti la natura e l’uso del suolo del bacino stesso. Il progetto e/o la verifica delle diverse sezioni della rete vengono quindi effettuati considerando di volta in volta il bacino totale sotteso dalla sezione di interesse. Modelli distribuiti Nei modelli distribuiti viene presa in considerazione la variabilità spaziale sia della precipitazione in ingresso al sistema, sia delle portate, nonché delle diverse caratteristiche del bacino. Tutte le grandezze vengono considerate funzioni del tempo e dello spazio. Nei diversi sottobacini le grandezze possono poi essere considerate globali (modelli “localmente globali”) o distribuite (modelli “localmente distribuiti”). Nei modelli distribuiti localmente globali, certamente i più diffusi, viene dapprima calcolato con approccio globale l’idrogramma di piena di ciascun sottobacino. Successivamente, procedendo da monte verso valle, per ciascun canale si simula la propagazione della
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piena risultante dalla somma di idrogrammi provenienti dai canali di monte con l’idrogramma del sottobacino diretto. In tali modelli ha un ruolo importante il grado di suddivisione dei sottobacini e il dettaglio con il quale si procede alla simulazione, ad esempio uno stesso modello può essere ritenuto distribuito se la descrizione della topografia del bacino è molto dettagliata, concettuale se la descrizione del bacino è più grossolana e addirittura globale se non si procede ad alcuna divisione del bacino. 3.1.4
Classificazione in base alla impostazione teorica.
Modelli probabilistici Nei modelli di tipo probabilistico tutte le variabili vengono considerate come delle variabili casuali con assegnate leggi di distribuzione di probabilità. Ne consegue che, in questi modelli, a ingressi uguali possono corrispondere risposte diverse. Modelli deterministici In questi modelli vengono simulati in modo deterministico i fenomeni quantitativi e qualitativi che avvengono nelle diverse porzioni dei bacini urbani durante gli eventi di pioggia,ovviamente a ingressi uguali corrispondono in questi modelli risposte uguali. I modelli di tipo deterministico sono, nel campo della modellazione dei deflussi urbani, di gran lunga i più diffusi; infatti, data la limitatezza delle serie di dati sperimentali disponibili, risulta difficoltosa l’applicazione di modelli probabilistici che richiedono la conoscenza di lunghe serie di misure della portata al fine di individuare le relative leggi di distribuzione e le leggi statistiche tra le serie pluviometriche e quelle delle portate. 3.1.5
Classificazione in funzione di linearità e stazionarietà.
Modelli lineari I modelli sono detti lineari quando l’uscita corrispondente a un ingresso che sia combinazione lineare di più ingressi è una combinazione lineare delle uscite relative ai differenti ingressi separati. Per i modelli lineari vale il principio di sovrapposizione degli effetti.
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Modelli stazionari I modelli sono detti stazionari quando ad ingressi identici e sfasati nel tempo corrispondono con analogo sfasamento identiche uscite. La risposta fornita dai modelli stazionari risulta essere quindi indipendente dall’istante in cui si verifica l’ingresso. 3.1.6
Classificazione in funzione della completezza del modello.
Modelli completi Nei modelli completi si simula la successione dei processi del ciclo idrologico, rappresentando in dettaglio sia le varie forme del deflusso (superficiale, ipodermico, profondo) sia l’evolvere della fase aeriforme e del moto dell’acqua all’interno del terreno, prendendo in considerazione anche gli scambi con le falde acquifere. Modelli di piena Nei
modelli di piena del settore del drenaggio urbano la simulazione riguarda
essenzialmente
le
perdite
idrologiche,
i
fenomeni
dello
scorrimento,
della
concentrazione e della modulazione nel tempo dei soli deflussi superficiali. 3.1.7
Classificazione in base al periodo simulato
Modelli per il singolo evento Nei modelli per il singolo evento la simulazione riguarda un periodo di tempo relativo ad un singolo evento meteorico. In genere il periodo simulato è nell’ordine di ore e la simulazione viene svolta simulando passi temporali nell’ordine del minuto. Le condizioni iniziali del bacino devono essere arbitrariamente prescelte dall’operatore per lo svolgimento della simulazione. Modelli per la simulazione continua Nei modelli a simulazione continua la simulazione riguarda un periodo molto ampio comprendente numerosi eventi meteorici intervallati da periodi di tempo asciutto. In relazione alla durata considerevole del periodo (nell’ordine del mese o dell’anno) la simulazione viene svolta con passo temporale nell’ordine dell’ora. In tali modelli
44
devono essere previsti specifici operatori in grado di tenere in considerazione in modo adeguato i fenomeni idrologici che si verificano durante i periodi di tempo asciutto e in particolare di valutare il recupero delle capacità di infiltrazione nelle parti permeabili del bacino e lo svuotamento delle depressioni superficiali per post-infiltrazione e per evaporazione sia delle aree permeabili sia di quelle impermeabili. Nelle condizioni dello stato del bacino all’inizio della simulazione, prescelte arbitrariamente, influenzano in maniera significativa solo le simulazioni relative ai primi eventi meteorici, risultando praticamente determinate dallo stesso modello le condizioni iniziali dei successivi eventi. 3.1.8
Classificazione in base ai risultati forniti
In relazione ai risultati forniti, i modelli possono distinguersi in: •
modelli per il calcolo della sola portata al colmo, fra questi si possono far rientrare i modelli Cinematico e dell’Invaso Lineare;
•
modelli che consentono la determinazione della forma dell’onda di piena, fra questi ci sono i modelli deterministici e fisicamente basati;
•
modelli che consentono la valutazione dei volumi idrici defluenti in lunghi periodi di tempo, dei quali fanno parte i modelli a simulazione continua;
•
modelli che consentono la determinazione dell’andamento nel tempo della qualità delle acque, tali modelli trovano applicazione nei problemi di ubicazione e dimensionamento degli scolmatori e delle vasche di prima pioggia, oltre che nei problemi di esercizio degli impianti di depurazione.
Fra i modelli del primo tipo rientrano i metodi cinematico e dell’invaso lineare, alla seconda classe possono ricondursi i modelli deterministici fisicamente basati, mentre la valutazione dei volumi defluiti in lunghi periodi di tempo è affidata ai modelli a simulazione continua. Infine, i modelli che trattano anche la dinamica degli inquinanti durante il trasporto delle acque in fognatura trovano applicazione nei problemi di ubicazione e
45
dimensionamento
degli
scolmatori
e
delle
opere
di
invaso,
di
controllo
dell’inquinamento pluviale urbano e di esercizio degli impianti di depurazione. Nella fattispecie, InfoWorks CS si basa su un modello del quarto tipo, che permette lo studio dell’andamento temporale della concentrazione degli inquinanti nei condotti, nei pozzetti e nelle vasche di accumulo.
3.2 I Modelli di qualità nei deflussi urbani Una prima suddivisione può essere effettuata tra modelli deterministici e modelli stocastici. Nei primi vengono formulate relazioni causali tra le variabili dipendenti e indipendenti che intervengono nel fenomeno da modellare qualunque sia la complessità e variabilità spaziale e temporale dello stesso. I secondi considerano relazioni di tipo probabilistico tra le variabili ed esprimono la previsione in termini principalmente di valore atteso delle grandezze di interesse. Nel campo dei modelli deterministici un’ulteriore suddivisione può essere effettuata tra modelli fisicamente basati, derivanti cioè da un approccio teorico in cui si cerca di ricostruire matematicamente i processi fisici di interesse (meccanica dei fluidi, analisi dei sistemi, ecc.) e modelli statisticamente basati, derivati invece dall’analisi statistica di dati sperimentali di varia natura. La distinzione tra modelli fisicamente basati e statisticamente basati non è ben definita, in quanto, ad esempio, i parametri di un modello fisicamente basato possono essere adattati ai valori registrati usando tecniche statistiche. Allo stesso modo equazioni statisticamente basate possono essere testate da analisi fisicamente basate per verificarne l’attendibilità. All’interno di ogni gruppo possono esservi ulteriori classificazioni in funzione dei dati in ingresso necessari al modello (simulazione di un singolo evento, simulazione continua), in funzione dell’intervallo di tempo considerato (minuti, ore o intervalli più lunghi) e in funzione dell’obiettivo del modello (pianificazione, progetto, gestione). I modelli di qualità possono essere impiegati per diversi scopi nello studio dei deflussi urbani.
46
In particolare essi sono estremamente utili per la caratterizzazione degli effluenti, per la determinazione del carico inquinante nei corsi d’acqua riceventi, per la previsione degli effetti di sistemi di controllo delle reti drenanti e per supportare analisi costi-benefici, in vista di opere di risanamento ambientale. Le simulazioni possono prendere in esame intervalli temporali più o meno lunghi in funzione dell’obiettivo prefissato. Ad esempio, se lo scopo è individuare l’effetto che gli scaricatori di una rete fognaria hanno sui corsi d’acqua riceventi, si possono adottare tempi di simulazione che prendano in esame l’anno idrologico medio. Mentre se l’obiettivo è lo studio di dispositivi di controllo dell’inquinamento prodotto dalle acque di prima pioggia può essere importante soffermarsi su singoli eventi pluviometrici. Nel seguito si esaminano i diversi processi che prendono parte alla formazione e al trasporto dei solidi sospesi e si illustra come essi sono stati schematizzati nei modelli di simulazione più noti oggi disponibili. Tali modelli fanno usualmente riferimento solo alla simulazione dei solidi sospesi, avendo riconosciuto che le diverse forme di inquinamento (BOD, COD, nitrati, ecc.) sono strettamente correlati con essi [Artina ed altri, 1995]. L’esposizione prende in esame separatamente i modelli deterministici (i più comuni) fisicamente basati, quelli statistici e infine quelli stocastici. 3.2.1
I Modelli deterministici fisicamente basati
Nei modelli fisicamente basati i diversi fenomeni che prendono parte alla formazione e propagazione degli inquinanti vengono rappresentati separatamente. a)
Accumulo sulla superficie del bacino
Ricerche sperimentali condotte su bacini americani mostrarono come l’accumulo sulla superficie del bacino tenda ad un valore asintotico al passare del tempo dopo l’ultimo evento di pioggia che ha prodotto un radicale lavaggio delle superfici impermeabili.
47
L’accumulo sulla superficie del bacino è stato rappresentato, da diversi autori, attraverso le quattro seguenti formulazioni. Il primo modello è di tipo lineare e ipotizza che la massa accumulata M a sia proporzionale alla durata del tempo secco dt s attraverso un coefficiente d’accumulo: M a = a ⋅ dt s dove, Ma
= massa accumulata sulla superficie del bacino;
dts = durata del tempo secco antecedente; a = coefficiente numerico. Il secondo ipotizza un andamento non lineare secondo la seguente espressione: M a = adt sb
Il terzo modello è di tipo esponenziale:
(
M a = M a lim ⋅ 1 − e − bdt s
)
essendo M a lim il limite asintotico della massa accumulata. Il quarto e ultimo modello proposto da Michaelis-Menton, ha la seguente formulazione:
M a = M a lim ⋅
dt s (a + dt s )
I parametri numerici sopra indicati, a, Malim e b assumono nelle diverse equazioni valori diversi e unità di misura differenti. Il tempo secco antecedente viene valutato a partire dall’ultimo evento in cui è stata registrata un’altezza di pioggia tale da produrre un significativo lavaggio, ad esempio di 10 mm. Nella figura sottostante sono riportati i grafici relativi agli andamenti tipo delle precedenti quattro formulazioni. Normalmente la formulazione lineare e non lineare
48
vengono adottate imponendo un limite superiore alla crescita della massa accumulata sulla superficie del bacino.
Figura 3.1 - Paragone fra l’andamento nel tempo dell’accumulo secondo le principali formulazioni (Huber e Dickinson, 1988).
Figura 3.2 - Esempio di accumulo lineare di sedimenti su un bacino considerando l’azione di lavaggio operata da mezzi meccanici (Huber e Dickinson).
La pulizia delle strade, inoltre, normalmente operata con mezzi meccanici, determina l’asportazione di una frazione degli inquinanti accumulati più o meno rilevante in funzione dell’accuratezza e dell’efficienza con cui viene effettuata, nonché della porzione del bacino effettivamente soggetta a pulizia e della frequenza della stessa.
49
b)
Lavaggio operato dalla pioggia
Durante un evento pluviometrico, in funzione della sua intensità, le particelle che si sono accumulate sulla superficie del bacino possono venire rimosse e trasportate verso la fognatura. Tale fenomeno è estremamente complesso. I modelli che si adottano spesso non distinguono tra l’erosione dovuta all’impatto delle gocce di pioggia e quella dovuta al trasporto operato dal ruscellamento superficiale. Nei modelli in cui si distingue tra lavaggio operato dalla pioggia e lavaggio operato dal ruscellamento superficiale, come in MOUSE, i risultati non sono migliori rispetto a quelli forniti dagli altri modelli, probabilmente perché il maggior numero di parametri richiede un’attenta calibrazione. c)
Passaggio attraverso le caditoie
Le particelle dilavate dalla superficie del bacino dalla pioggia entrano nella rete fognaria attraverso la rete secondaria costituita da pozzetti e condotti di piccolo diametro. Le particelle tendono ad accumularsi in tale rete secondaria, soprattutto durante eventi di piccola intensità mentre con l’aumentare del deflusso esse vengono dilavate, rimesse in sospensione ed immesse quindi nella rete fognaria principale. La portata che defluisce in tali condotti, le caratteristiche delle particelle, il periodo di tempo secco, la stagione, le caratteristiche del bacino versante sono gli aspetti che condizionano il fenomeno e che vengono presi in esame in modo differente dai diversi modelli. d)
Modellazione del trasporto dei sedimenti nei condotti fognari
Sicuramente rappresenta la fase più importante dei modelli di qualità, ma è anche la più complessa, in quanto ci si trova spesso di fronte a dati insufficienti nella descrizione delle reti fognarie, alla complessità del fenomeno che coinvolge particelle in sospensione sul fondo, deposizione ed erosione, a un elevato numero di parametri quali velocità, sforzo tangenziale, geometria dei collettori, caratteristica delle particelle.
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Il trasporto solido in fognatura è molto differente dal trasporto solido nei corsi d’acqua; infatti le particelle sono molto più piccole, si è in presenza di particelle coesive dovute al materiale organico e il regime idraulico è soggetto a variazioni molto più pronunciate. Il trasporto solido nei condotti chiusi fu studiato da diversi ricercatori; Durand ad esempio propose una distinzione tra diversi tipi di trasporto in funzione del diametro delle particelle. Nel caso di granulometria omogenea con diametri minori di 25μm le particelle rimangono sempre in sospensione senza depositarsi e con una concentrazione distribuita in modo omogeneo; nel caso di una granulometria intermedia con diametri compresi tra 25 μm e 50 μm si è in una zona di transizione. Nel caso di granulometria eterogenea viene fatta un’ulteriore suddivisione: nel caso di diametri variabili tra 50 μm e 200 μm le particelle sono trasportate in sospensione con concentrazioni eterogenee; nel caso di diametri compresi tra 0,2mm e 2 mm le particelle vengono trasportate in condizioni intermedie; nel caso di diametri maggiori di 2 mm le particelle sono trasportate in parte sul fondo, in parte in sospensione. Le formulazioni proposte sono molteplici.
3.3 InfoWorks CS 8.05 Infoworks è un pacchetto sviluppato dalla Wallingford Software Ltd per la gestione dei sistemi idrici. Il modello di inquinamento in superficie (“Surface Pollutant Model”) determina l’accumulo e il dilavamento degli inquinanti sulla superficie dei bacini e dei pozzetti; in particolar modo si possono distinguere due modelli:
il modello di dilavamento (“Washoff Model”) che si occupa dei sedimenti e degli inquinanti che si accumulano durante periodi di tempo secco sulla superficie dei bacini; durante gli eventi meteorici essi vengono dilavati dal deflusso superficiale e condotti sino alle caditoie;
il modello del pozzetto (“Gully Pot Model”) che si occupa degli inquinanti disciolti accumulati in caditoia in tempo secco; durante gli eventi di pioggia tali sostanze tornano in sospensione e possono essere convogliate sino alla rete fognaria.
51
Questi due modelli sono totalmente indipendenti tra loro.
Accumulo di inquinanti sulle superfici drenate L’accumulo durante il periodo di tempo secco è considerato dipendente linearmente dal tempo in funzione delle attività antropiche svolte sul bacino; il fattore di accumulo dipende dall’utilizzo del territorio; tuttavia si impone un limite superiore per lassi temporali tendenti all’infinito. Tale equazione è valida solo per i sedimenti, mentre gli inquinanti adesi sono determinati per mezzo di un fattore di potenza moltiplicato per la massa dei sedimenti così calcolata. dM = Ps − K 1 ⋅ M dt
con M
massa di solidi depositati per unità di superficie (kg/ha);
Ps
fattore di accumulo (kg/ha·giorno);
K1
fattore di decadimento (1/giorno); il valore di default, determinato mediante calibrazioni, è pari a 0.08.
Il limite superiore per la massa dei sedimenti espresso in (kg/ha) è dato da:
Ps K1 Il software risolve l’equazione (3.9) secondo i seguenti passi: -
determina il fattore di decadimento;
-
determina il fattore di accumulo;
-
determina la massa accumulata alla fine del tempo secco.
⎛P ⎞ M 0 = M d ⋅ e − K1ND + ⎜⎜ s ⎟⎟ 1 − e − K1ND ⎝ K1 ⎠
(
)
dove: Mo
massa di sedimenti alla fine del tempo secco cioè ad inizio evento (kg/ha);
Md
massa di sedimenti all’inizio del tempo secco, ossia i residui dell’evento pluviometrico precedente (kg/ha);
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ND numero di giorni di durata del buid-up; Ps
fattore di accumulo superficiale in kg/ha·giorno;
K1
coefficiente di decadimento o scomparsa in 1/giorno.
Accumulo di inquinanti nei pozzetti In tale fase si considerano unicamente gli inquinanti disciolti e se ne valuta la concentrazione nei pozzetti prima e durante la simulazione; si ipotizza che l’accumulo sia linearmente dipendente dal tempo e influenzato dal tipo di utilizzo del territorio. L’equazione utilizzata è la seguente: PGn (0 ) =
(C + M ⋅ ND ) ⋅ Vgully 1000
dove: PGn(0) massa del generico inquinante disciolto alla fine del tempo secco, cioè all’inizio della simulazione (kg); C
concentrazione iniziale degli inquinanti (mg/l);
M
coefficiente di accumulo lineare (mg/l·giorno);
ND
giorni di build-up;
Vgully
volume pozzetto in m3.
Calcolo del dilavamento superficiale Il modello di dilavamento calcola la variazione nel tempo della concentrazione dei vari inquinanti, per simularne poi il trasporto solido in fognatura. Il software assume che la portata degli inquinanti in entrata al pozzetto sia proporzionale alla quantità di inquinanti disciolti o in sospensione nelle acque di pioggia presenti sul bacino drenante. Infoworks calcola: 1. la massa dei sedimenti erosa dalla superficie del bacino e mantenuta in sospensione nell’acqua (TSS, Solidi Sospesi Totali); tale erosione è proporzionale all’intensità di pioggia;
53
2. la massa di sedimenti dilavati verso la rete di drenaggio; 3. la massa di ciascun inquinante adeso ai sedimenti, proporzionale all’intensità di pioggia. La massa di inquinante dilavata è funzione dell’intensità di pioggia e della massa presente al suolo:
dM e = K a ⋅ M r (t ) − f (t ) dt dove: Me(t) massa di inquinante disciolto o in sospensione (kg/ha); Mr(t) massa (residuale) di inquinante presente all’istante t sul bacino (kg/ha); Ka
coefficiente di erosione/dissolvimento che dipende dall’intensità di pioggia.
M e (t ) = K ⋅ f (t ) dove: Me(t) massa di inquinante disciolto o in sospensione (kg/ha); f(t)
portata massica di inquinante (kg/ha·s);
K
costante del serbatoio lineare (s) calcolata con la formula di Desbordes.
L’intero studio qualitativo si basa sul comportamento dei solidi sospesi totali TSS, poiché il software assume che ci sia una proporzionalità tra i TSS e gli altri inquinanti, espressa dai fattori di potenzialità in dipendenza dell’intensità di pioggia; inoltre il software assume che i fattori di proporzionalità siano costanti nel tempo durante l’evento. L’equazione per il calcolo della massa di inquinanti adesi è: f n (t ) = K pn (i ) ⋅ f m (t )
dove: fn(t)
portata solida specifica dell’inquinante (kg/ha·s);
Kpn(i) fattore di potenza; fm(t)
portata solida specifica dei solidi sospesi TSS (kg/ha·s).
Il calcolo del dilavamento superficiale si articola nei seguenti passi:
54
determinazione del fattore di potenzialità che governa la relazione tra solidi sospesi e gli altri inquinanti ed è funzione dell’intensità di pioggia.
Tipo di superficie No washoff Residenziale Commerciale Industriale Periferia Rurale
Inquinanti BOD 0
COD
TKN 0
0
K pn = C1 (IMPK − C 2 ) 3 + C 4 C
Tabella 3.1 - Fattori di potenzialità dove: C1, C2, C3 e C4 sono dei coefficienti definiti in fase di calibrazione e variabili da inquinante a inquinante, nonché funzione dell’uso del suolo. IMKP è la massima intensità (mm/h) di pioggia caduta in un periodo di 5 minuti nel sotto evento.
calcolo della massa iniziale di solidi sospesi totali per unità di superficiale
f (0 ) =
Fm (0 ) C ⋅ Ar
dove: f(0)
è la portata massica iniziale per unità di superficie impermeabile (kg/ha·s), in genere uguale a zero;
Fm(0) portata dei solidi sospesi TSS all’istante iniziale (kg/s); C
percentuale di area impermeabile;
Ar
area sottobacino (ha).
calcolo della massa iniziale di sedimenti per unità di superficie
M r (0 ) = M 0 dove: Mr(0) massa residuale all’inizio dell’evento (kg/ha); M0
massa accumulata alla fine del tempo secco (kg/ha). 55
calcolo dei parametri del dilavamento
K a (t ) = C1i C2 − C 3 ⋅ i
dove: Ka
coefficiente di erosione;
i(t)
intensità di pioggia istantanea in mm/h;
C1, C2 e C3 sono dei coefficienti.
determinazione della massa specifica residua presente sulla superficie del bacino,
per ogni passo temporale: dt
(
)
f (t + dt ) = f (t ) ⋅ e K + 1 − e − K a dt ⋅
M r (t ) dt
dove: K
coefficiente del serbatoio lineare (s), calcolato con la formula di Desbordes;
f
portata dei solidi sospesi (kg/ha·s);
Ka
coefficiente di erosione.
determinazione del deflusso dei solidi sospesi totali per unità di superficie, per ogni
passo temporale: f (t + dt ) = f (t ) ⋅ e
− dt K
(
+ 1− e
− K a dt
)
− dt ⎞ M (t ) ⎛ ⋅ ⎜⎜1 − e K ⎟⎟ ⋅ r ⎠ dt ⎝
K
coefficiente del serbatoio lineare (s), calcolato con la formula di Desbordes;
f
portata dei solidi sospesi (kg/ha·s);
Ka
coefficiente di erosione.
calcolo della portata dei solidi sospesi totali in uscita dai sottobacini
Fm (t ) = C ⋅ Ar ⋅ f (t ) dove: f(t)
è la portata dei solidi sospesi totali TSS per unità di superficie impermeabile (kg/ha·s);
Fm
portata dei solidi sospesi(kg/s);
C
percentuale di area impermeabile; 56
Ar
area del sottobacino (ha). calcolo delle portate dei vari inquinanti in uscita dal sottobacino
Fn (t ) = K pn (t ) ⋅ C ⋅ Ar ⋅ f (t )
dove: Fn(t) è la portata massica dell’inquinante adeso (kg/s).
Lavaggio dei pozzetti (“Gully Pot Flushing”) Il modello del pozzetto (“Gully Pot Model”) determina la quantità di inquinanti disciolti presenti nel pozzetto che viene rimessa in sospensione ed entra in circolazione nella rete di drenaggio urbano in seguito all’ingresso della portata di pioggia nel pozzetto stesso. Si ricorda che tale modello è del tutto indipendente da quello relativo al dilavamento superficiale. Si ipotizza che la massa di inquinanti presente nei pozzetti si misceli completamente con la massa proveniente dal deflusso superficiale; la portata di inquinante risultante dipende quindi dall’ingresso del sistema dovuto al modulo di runoff: Pn = Fn (t + dt ) + PGn (t ) dove: Pn
è la massa totale di inquinante (kg);
Fn(t+dt)
è la portata di inquinante disciolto in ingresso (kg/s);
dt
è l’intervallo temporale (s);
PGn
è la massa di inquinante nel pozzetto (kg).
Fn (t + dt ) =
Q (t + dt ) V ⎛ ⎜⎜ Q (t + dt ) + gully dt ⎝
Pn ⎞ dt ⎟⎟ ⎠ ⋅
dove Q(t+dt) è il deflusso dalla superficie stradale (m3/s). La massa di inquinante nel pozzetto è quindi pari a: PGn (t + dt ) = Pn − Fn (t + dt ) ⋅ dt
57
In realtà nella versione attuale del modello si assume che nessun inquinante disciolto entri nel pozzetto dalla superficie stradale, quindi il termine Fn(t+dt) è assunto pari a zero.
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Capitolo 4. L’idrografia modenese fra il Fiume Secchia e il Fiume Panaro
Premessa Lo studio della rete fognaria di una città richiede un’analisi completa e particolareggiata del suo territorio, inteso nelle sue varie componenti fisiche, abitative e produttive, non solo il territorio che è o che sarà interessato da una rete fognaria, ma anche quello che comunque potrà influenzare quest’ultima durante un evento meteorico. Il territorio modenese, per la sua giacitura a livello più basso delle quote di piena dei due fiumi Secchia e Panaro e con una zona collinare alle spalle, è soggetto al regime idraulico dei corsi d’acqua che l’attraversano e lo circondano. Lo sviluppo industriale affermatosi con determinazione dal dopo guerra in poi, ha permesso da un lato una massiccia antropizzazione del suolo ed una conseguente espansione di Modena e degli agglomerati limitrofi e dall’altro una degradazione della qualità dell’ambiente. La crescita delle aree urbane ha determinato inoltre la trasformazione del suolo, che in termini idraulici, si è concretizzata in un afflusso nella rete scolante di più consistenti volumi di acqua sia reflua che meteorica. Mentre la prima ha compromesso la qualità dell’ambiente per l’inquinamento che ha prodotto nei corsi d’acqua naturali e nelle falde acquifere, la seconda ha richiesto il riesame delle capacità ricettive delle reti di scolo. In questi ultimi anni lo stato di crisi delle reti fognarie si è manifestato con maggiore frequenza ed incisività e gli eventi calamitosi che hanno colpito Modena particolarmente negli anni 2003-2005, hanno provocato danni ingenti sia al patrimonio demaniale dello Stato, della Provincia e del Comune, sia anche ad aziende autonome, enti pubblici ed a privati, si fa riferimento in particolare agli eventi pluviometrici occorsi nei giorni 20/08/2005, 28/08/2005 e 7/10/2005 a cui sono stati attribuiti tempi di ritorno secolari.
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4.1 L’Evoluzione storica della rete scolante modenese La città di Modena è stretta fra i Fiumi Secchia e Panaro che si avvicinano fra loro a nord della Via Emilia. Le acque piovane che cadono nella zona compresa fra la prima collina e i due fiumi, non vi affluiscono direttamente, ma scorrono in una fitta rete di torrenti e canali che al disotto della città formano il canale Naviglio. Questo riceve a valle di Bastiglia, le portate provenienti dal cavo Minutara e dal Cavo Argine, confluendo poi nel fiume Panaro a Bomporto. E’ questa la rete di canali che raccoglie le acque meteoriche e di scarico prodotte dalla città e dalle sue attività produttive. Questa particolare conformazione idrogeologica ha lasciato segni e tracce sulla struttura urbana di Modena, sulla sua storia, sugli usi e costumi dei modenesi. L’acqua che affluiva spontaneamente dalla campagna, ma anche attraverso canali costruiti artificialmente per raccogliere acqua dal Secchia e dal Panaro in tempi di magra, era fonte di benessere e ricchezza. Serviva per irrigare i campi e, attraverso ingegnosi sistemi, consentiva di macinare il grano (molitura), lavorare le stoffe, conciare le pelli. Grazie a sistemi di conche e chiuse era possibile risalire il Po e il Panaro dall’Adriatico fino a Modena. Anche allora però, l’acqua era causa di alluvioni, epidemie e contese talvolta anche violente. Fin dall’anno Mille le popolazioni cercarono di regolare i corsi d’acqua a carattere torrentizio, attraverso opere idrauliche e deviazioni. Nel 1575 venne istituito il Magistrato delle acque, l’autorità che aveva il compito di far rispettare, attraverso “grida” e “notificazioni”, i regolamenti per lo sfruttamento dell’acqua. Con l’avvento del vapore e, successivamente, della corrente elettrica, l’acqua ha perso progressivamente importanza come fonte energetica; è così iniziata una lenta e costante modifica del reticolo idrografico superficiale e fognario che ha portato all’attuale conformazione. Un cambiamento fondamentale nel rapporto tra i modenesi e l’acqua è avvenuto nel XVII secolo quando, per motivi igienici, è iniziata la copertura dei canali all’interno della cinta muraria. Da quel momento i canali sono diventati sotterranei e quindi non più visibili, sopra di essi sono state costruite strade ed abitazioni; mentre con lo sviluppo della città anche al di fuori delle mura si sono progressivamente coperti i corsi d’acqua circondati dalle nuove urbanizzazioni. La rete dei canali e delle cloache storiche è diventata così la struttura portante dell’attuale sistema fognario.
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4.1.1
La Palude a sud di Modena “… In un paduglio suso uno fiumicello d’acqua di fontana bellissima …”
Basta questa frase concisa e fresca come l’acqua dei fontanazzi modenesi a fare intuire i contorni della “Mutina romana” che sta per nascere come entità urbana nella mente del console romano Fabrizio nell’anno 223 prima dell’era volgare. Il console Fabrizio, accampato con i suoi legionari non esita a decidere: “...si deve costruire una città in questa campagna ubertosa che ha, come confini naturali con funzioni difensive, a oriente ed a occidente, due fiumi gonfi d’acque che scendono dalla catena montuosa meridionale; e non manca l’acqua potabile generosamente offerta dai fontanazzi della palude e dal fiumicello che ne deriva...”. Il console romano essendo un ottimo urbanista ordina che le nuove abitazioni sostituiscano le antiche capanne sulle rive della “Muculena” (Modenella) che sarà fulcro di vita attiva per la città che sta crescendo. Mutina diventerà così grande, opulenta per i commerci, in posizione e condizione ottimale per difendersi. Il “paduglio” citato dalla più antica cronaca modenese ha sfidato i secoli e lo ritroviamo nel nostro dialetto giustamente al plurale, “i padoi”, ad indicare l’area meridionale della città con propaggini a est sino al tracciato della via Emilia e a ovest oltre allo stesso tracciato dove formava “i laghetti di S.Cataldo”. La palude ha resistito più di due millenni considerando come ultimo residuo quei prati allagati dai fontanazzi che solo pochi anni fa, prima della costruzione di nuovi quartieri, si stendevano tra il viale Amendola e la via Panni attuale. La grande palude che dalle mura di mezzogiorno si estendeva fino alla località di Baggiovara fu causa di aspre contese, in periodo medioevale, tra il vescovo e il comune di Modena. Il primo accampava diritti, concessi ai suoi predecessori da imperatori del periodo postcarolingio, all’ interno della città e fuori dalle mura per tre miglia in ogni direzione e ovviamente anche sulla palude. Il vescovo pretendeva non solo il diritto di proprietà, ma il legittimo potere di giudicare nelle cause criminali, nelle tutele, nei duelli, nell’attività mercantile e in ogni altro tipo di vertenza. Il comune, dal canto suo, non riconosceva tali diritti episcopali, cancellati da Federico Barbarossa con la dieta di Roncaglia del 1158 e
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definitivamente annullati con la pace di Costanza del 1183 tra i comuni della lega lombarda e l’imperatore Federico II. Nel 1227 si giunse finalmente ad un concordato tra il vescovado ed il comune, siglato da due notai imperiali: il comune, e quindi i cittadini, ottennero il diritto perpetuo sulla palude, allora detta palude di Baggiovara, ad eccezione di una modesta parte contigua ad un prato di proprietà del Vescovo, situato a sud ovest della cinta muraria, di superficie pari a 18 iugeri, che corrispondono circa 45000 m2 di oggi, contenente però il maggior numero di fontanazzi. La bonifica della palude inizia proprio con il concordato del 1227 perché dopo questo anno sia il Comune che il Vescovo affittano tratti di palude a conduttori che hanno l’obbligo di scavare fossati per rendere coltivabile il terreno. Data la vastità della palude e i pochi uomini che vi lavoravano non si completò in breve la bonifica. Cento anni dopo infatti negli statuti del 1327 si lamentava non solo la presenza di acque stagnati private delle correnti dei fontanili per azionare i mulini, ma soprattutto la inevitabile conseguenza, definita esalazioni mefitiche, temuta come causa principale del dilagare delle pestilenze. Agli inizi del ‘400, quando gli Estensi di Ferrara sono diventati definitivamente i signori di Modena, il Marchese Nicolò III si interessa in particolare della palude rimasta a sud della città. A tale scopo invia nel 1425 i suoi più qualificati ingegneri idraulici come l’ingignero Giovanni e Pietro Paulo Barbalonga che provvedono a abili lavori per immettere le acque chiare dei fontanili nei canali che entrano in città. Con questa operazione idraulica si ritorna alla condizione naturale efficiente sino al concordato del 1227: i cittadini possono di nuovo usufruire dell’acqua dei fontanili all’interno della città per migliorare le condizioni igieniche e per incrementare l’attività produttiva. Successivamente col trascorrere degli anni e dei secoli, lotto dopo lotto la palude viene bonificata integralmente, la terra si fa fertile ed adatta ad ogni tipo di coltura. La terra degli ultimi coriandoli acquitrinosi, bonificati nei tempi più vicini a noi: (seconda metà dell’Ottocento) è limacciosa e sabbiosa, ottima per coltivare i meloni nelle numerosissime melonaie collocate a Sud dell’attuale Carlo Sigonio, frutto tanto amato dai vecchi modenesi. I primi canali vennero “voltati” già in epoca medioevale allo scopo di consentire l’edificazione all’interno della cinta muraria. Tra il 1500 e il 1700 vennero
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progressivamente voltati, allo scopo di ottenere un risanamento e ammodernamento edilizio e igienico in considerazione del sempre crescente numero di cittadini che intendevano abitare all’interno delle mura. Con l’insediamento del duca Francesco I, nel 1595, la città assunse un volto nuovo più moderno e adeguato all’altezza del rango della sua casata, si operò quindi un importante risanamento della città attraverso la copertura delle cloache e dei canali in transito nella parte posteriore dei fabbricati corrispondenti alle latrine dei fabbricati stessi. Infatti il centro storico della città di Modena è organizzato con una rete di cloache e di canali che transitano all’esterno dei fabbricati, dove nella maggior parte dei casi i muri in elevazione di questi sono parte integrante dei muri in elevazione dei canali. La gran parte dei fabbricati del centro storico possiedono dei cavedi all’interno dei quali transitavano le cloache gonfie di acqua corrente idonee quindi anche al trasporto di ogni oggetto di rifiuto proveniente dagli alloggi. 4.1.2
Le prime proposte di risanamento igienico della città
La situazione descritta nei paragrafi precedenti sulla collocazione dei canali e delle cloache sotto i fabbricati, con il trascorrere dei secoli provocò un diffuso stato di degrado igienico - ambientale a causa delle dispersioni dei canali in mattoni nell’ambiente circostante. La condizione dei canali e delle cloache all’interno delle mura, cominciò a preoccupare seriamente gli amministratori dei comuni che si sono succeduti nei vari anni. Nella seconda metà dell’ottocento venne attuato un importante risanamento della città sotto l’aspetto Edilizio - Igienico - Urbanistico, con demolizioni di interi isolati malsani per far posto a piazze e vie più ampie. Fu in questo contesto che l’allora assessore all’Igiene volle affrontare seriamente e per la prima volta il problema della rete fognaria e dell’acqua potabile della città. Affidò quindi al Professor Pantanelli riconosciuto e stimato esperto studioso del sottosuolo modenese e delle sue acque, docente all’Università di Modena , il compito di studiare e risolvere i gravi problemi igienici divenuti ormai insopportabili dalla cittadinanza. Il professor Pantanelli si mise subito al lavoro e , tra il 1898 e il 1899, compie una serie di analisi batteriologiche su sette pozzi e fontane pubbliche tra le più frequentate della città. I risultati furono sconfortanti: il contenuto di batteri per centimetro quadro d’acqua era elevatissimo, inoltre viene evidenziata una correlazione tra la falda idrica superficiale
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che alimenta i pozzi, le fontane cittadine e la rete sotterranea dei canali, in quanto si riscontra un aumento dei batteri nelle acque in concomitanza di piogge intense. Questa correlazione viene accentuata dal fatto che i canali trovano ostacolo al loro naturale deflusso, dalle chiuse o sostegni dei Mulini Nuovi, necessari per innalzare il livello delle acque al fine di creare il salto industriale indispensabile per la Molitura che viene attuato cinque giorni alla settimana, nonché dal salto necessario alla navigazione sul Canale Naviglio. Soddisfatti e al contempo preoccupati dalla esauriente relazione del Prof. Pantanelli, gli amministratori comunali decidono di affrontare con decisione la risoluzione dei problemi legati al risanamento igienico della città: rete fognaria, rete dei canali e cloache. Tra il 1902 e il 1911 vennero presentate tre proposte progettuali di risanamento della rete fognaria e dei canali: •
La prima proposta, sicuramente molto illuminata per l’epoca in cui venne presentata, fu dell’Ing. Torricelli il quale propose la realizzazione di una condotta in gres in sede stradale per la raccolta delle sole acque nere, mentre le acque meteoriche venivano raccolte con altra condotta sempre in sede stradale. L’Ing. Torricelli precorse quindi i tempi proponendo un sistema fognario a reti separate già un secolo fa.
•
La seconda proposta fu dell’Ufficio Tecnico Comunale il quale propose il rifacimento dei canali e delle cloache sempre sotto i fabbricati. Si trattò di una proposta di risanamento strutturale e al contempo igienico, ma non in grado di risolvere alla radice i problemi evidenziati dal Prof. Pantanelli.
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La terza proposta fu sempre dell’Ufficio Tecnico Comunale con un progetto di grande rilevanza tecnica: (Progetto 1911). Il Progetto prevedeva il trasporto e la ricostruzione in sede stradale di tutti i Canali e Cloache presenti sotto i fabbricati con la relativa eliminazione fisica degli stessi da sotto le case. Tale proposta conteneva più di cento tavole con un livello di dettaglio progettuale esecutivo, il relativo programma lavori era previsto per stralci funzionali in un arco di tempo superiore ai dieci anni. Il progetto, qualora fosse stato attuato, avrebbe risolto
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completamente il problema della rete fognaria nell’attuale centro storico. Vi furono però due ragioni che non ne permisero la realizzazione: la prima di ordine economico, in quanto il Ministero delle Opere Pubbliche condizionò l’erogazione del finanziamento alla contestuale realizzazione della rete acquedottistica, la seconda di ordine bellico in quanto i venti della prima guerra mondiale non permisero l’inizio della realizzazione dell’opera. Le prime due proposte non vennero invece attuate
in quanto le Amministrazioni che si
succeddettero, non confermarono le progettazioni precedentemente elaborate. 4.1.3
Il risanamento igienico della città nel ‘900
Dopo la grande occasione persa dovuta alla mancata attuazione del “grande progetto di risanamento igienico della città del 1911” per cause legate alla situazione politica e sociale italiana nel corso del XX secolo, le proposte e i progetti di risanamento ripresero solo dopo la seconda metà del 1900. Le principali proposte di pianificazione complessiva e risanamento della rete fognaria comunale nonché di riequilibrio del sistema scolante che vennero presentati furono le seguenti: •
Progetto del 1970 denominato anche “Progetto Bonatti – Barozzi”
Nel quale l’elemento caratterizzante della proposta fu: un “Piano Generale di Sistemazione e Ampliamento della Fognatura Urbana della Città”. Il Progetto pur non affrontando alla radice i problemi della rete fognaria e dei canali posti sotto i fabbricati, contribuì ad un forte ed importante risanamento igienico della città con importanti opere di copertura di canali e ampliamento della rete fognaria urbana e extraurbana. Inoltre realizzò opere di miglioramento dei deflussi in transito nei canali quali: a) Eliminazione delle “barricazioni esistenti” e altri ostacoli al deflusso delle acque in corrispondenza dei Mulini della Sacca e dei Mulini Nuovi sul canale Naviglio; b) L’installazione di un “Idrometrografo” sul canale Naviglio in grado di misurare il livello idrometrico delle acque in transito nell’arco delle 24 ore in accordo con l’Ufficio Idrografico del Po;
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c) Identificazione dell’ubicazione del luogo e del tipo di impianto di depurazione centrale della città che successivamente venne realizzato. •
Piano di tutela e l’uso della risorse idriche del Comprensorio di Modena (1981)
L’elemento caratterizzante del piano fu un vasto e approfondito studio riguardante tutto il Comprensorio modenese in tema di risorse idriche con analisi approfondite su: 1) usi delle acque, i bilanci idrici, fabbisogni e risorse in Emilia Romagna 2) acque superficiali e sotterranee del comprensorio modenese e caratteristiche idrauliche dei fiumi principali (Secchia e Panaro) 3) il fenomeno della subsidenza nel territorio e le conseguenze sul territorio modenese 4) il risanamento idrico del territorio 5) il censimento delle reti fognarie dei Comuni nel Comprensorio. Il piano resta oggi un riferimento su diverse tematiche riguardanti le risorse idriche del territorio. •
Programma ( FIO 1984 ) della Regione Emilia Romagna
Nel quale vengono indicate le varie opere di riequilibrio idraulico prioritarie per ottenere la salvaguardia del territorio comunale dalle esondazioni. •
Piano di Risanamento della Rete Fognaria Urbana e della Rete Idrografica del territorio comunale ( U. Maione 1985 ).
Il piano rappresenta, assieme al progetto del 1911, lo studio più approfondito mai realizzato sulla rete fognaria comunale. La proposta traccia le linee guida di una sistemazione globale della rete fognaria e dei canali di scolo indicando i principali obbiettivi da raggiungere per il risanamento complessivo del territorio e il relativo riequilibrio idraulico per la salvaguardia del territorio dalle esondazioni. Tale piano resta tutt’ora punto di riferimento per tutti i progettisti di opere idrauliche, in particolare per quanto attiene ai dati relativi alla idrologia del territorio.
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Piano di risanamento e ristrutturazione della rete fognaria urbana Centro Storico (U. Maione 1987).
Il progetto pur riguardando la risoluzione di uno specifico problema idraulico del canale San Pietro in transito sotto i fabbricati di via Fonteraso, contribuì alla realizzazione di un importante riequilibrio idraulico di tutto il Centro Storico attraverso la realizzazione di uno scolmatore in viale Muratori che intercetta tutti i canali provenienti da Sud cosiddetti canali di Palude: Canal Chiaro, Canale Modenella, Fossa Paduli, deviandoli nel Canale San Pietro fuori dal centro storico. Attraverso questa importante opera è stato posto in sicurezza il centro storico da livelli idrometrici importanti, in quanto vengono deviati all’esterno nel canale San Pietro.
4.2 I bacini fra Secchia e Panaro ed il reticolo idrografico superficiale Tra i due Fiumi Secchia e Panaro si possono distinguere tre bacini fondamentali che si differenziano per le loro caratteristiche idrauliche. Sono il bacino del Canalazzo di Cittanova a ovest, il Bacino del Canale Naviglio nella parte centrale, il bacino del torrente Tiepido a Est.
Il bacino del Canalazzo di Cittanova Si estende dalla frazione di Marzaglia a ovest, alla direttrice Baggiovara-Cognento a Est, dalla Fossa di Spezzano a Sud, al Fiume Secchia a nord. La superficie scolante è di circa 3000 ettari, ha una lunghezza in senso nord-sud di circa 9500 km e una larghezza media di circa 3100 km. La quota massima e quella minima sono rispettivamente di 90 e 40 m/s.l.m. La pendenza media del bacino è di circa il 5 per mille. L’emissario di questo bacino è il Canalazzo di Cittanova che sfocia nel Fiume Secchia attraverso uno sbocco libero. Questo canale ha funzione principalmente di scolo e raccoglie le acque provenienti dalla Fossa Ghiarola, dalla Fossa santa Liberata, dalla Fossa Colombarone, Fossa Gazzuoli,
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Fossa Stradella, Cavo Carasseto, Fossa Orsi, Fossa Bissara, Scolo Dugaro, Canale Diversivo. Tutti questi canali appartengono al Comune di Modena. Gli insediamenti urbani che ricadono in questo bacino sono costituiti dalla frazione di Cittanova oltre agli agglomerati lungo la strada Corletto.
Il bacino del Naviglio Si estende in senso nord-sud dal comune di Bomporto, a quota 25 m/s.l.m. fino alla Fossa di Spezzano, all’altezza del comune di Maranello, a quota 116 m/s.l.m. per uno sviluppo di 26.250 km. In senso est-ovest si estende dalla congiungente Baggiovara-Cognento (limite ovest del bacino del Canalazzo di Cittanova) a quota 48 m/s.l.m., alla confluenza del Torrente Grizzaga col Torrente Tiepido a quota 35 m/s.l.m., per uno sviluppo massimo di 8.750 km. In quest’ultima direzione i limiti di bacino coincidono con i limiti urbanizzati della città di Modena. La superficie complessiva interessata è di 12.834 ettari, considerando la sezione di chiusura a Bomporto. La giacitura del bacino presenta tre distinti andamenti altimetrici: la parte sud compresa fra la Fossa di Spezzano ed il confine comunale modenese ha una pendenza media dello 0,5 per mille, la parte che comprende l’area urbana della città fino alla confluenza dei canali Naviglio e Soratore ha una pendenza media dello 0,2 per mille, mentre la parte restante fino alla confluenza dello stesso canale Naviglio nel Fiume Panaro ha una pendenza media dello 0,1 per mille. Da questi dati si evince immediatamente come il degradare progressivo della pendenza del territorio modenese, procedendo dalle pendici collinari verso le sezioni di chiusura dei bacini idrografici che lo compongono e ancora di più procedendo verso l’immissione del Canale Naviglio nel Fiume Panaro a Bomporto, rappresenta un limite morfologico imprescindibile alla capacità di deflusso delle acque nei corsi d’acqua superficiali in cui recapita il sistema di drenaggio urbano del capoluogo. Tale limite strutturale ha inevitabili ripercussioni anche sullo stato della qualità delle acque, dovuto al loro lento deflusso nei corpi idrici superficiali della bassa
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pianura modenese in cui recapitano direttamente gli scaricatori di piena della rete fognaria urbana del capoluogo. All’interno di questo bacino si distinguono tre ulteriori sottobacini.
Il sottobacino del Canalazzo di Freto Questo primo sottobacino è costituito dall’area posta tra la frazione di Cittanova, la frazione di Tre Olmi, e le zone Bruciata e Madonnina ed ha come emissari finali il Canalazzo di Freto che raccoglie le acque del Canale di Marzaglia (con preminenti funzioni irrigue), Fossa santa Liberata, Rio Pellicciari, Rio Marzano, Fossa Grillenzona, Fossa Parmeggiani, Canale di Freto, Fogna Anesino, Collettore Borgomozzo, Collettore san. Geminiano, Collettore di Cognento, Fossa Salvatori, Cavo d’Avia. Il Canalazzo di Freto si immette direttamente in Secchia attraverso uno sbocco condizionato (mediante sistema di paratoie automatizzate) che si chiude durante gli eventi di piena del fiume. L’area complessiva del bacino è di 781,25 ettari ed ha una pendenza media dell’1 per mille.
Il sottobacino centrale del Canale Naviglio Il sottobacino centrale del canale Naviglio si estende dalla Fossa di Spezzano alla confluenza del Canale Soratore con il Canale Naviglio e comprende la città di Formigine, la frazione di Casinalbo e la maggior parte dell’area urbana del territorio comunale. L’emissario finale è costituito dal Canale Naviglio che raccogli le acque dei seguenti collettori principali (procedendo da ovest verso est): Collettore di via Cavazza, Fossa Quartarezza, Circondariale Ovest, Cavo Cerca, Canale Sora, Canale d’Abisso, Canalino, ramo Cerca interna, Canal Chiaro, Canale Modenella, Circondariale est, Cavo Archirola. Lo stesso Naviglio riceve poi apporti idrici dal Fiume Panaro e dal Fiume Secchia destinati, originariamente, all’irrigazione dei terreni agricoli situati a ridosso dell’abitato nonchè come forza motrice dei numerosi opifici presenti; ora invece,
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deputati al dilavamento della rete fognaria del centro storico della città, essendo per circa l’80% posti al di sotto dei fabbricati.
Figura 4.1 – I canali del centro storico (G. Bartoli, 2003) Dal Panaro abbiamo il Canale S. Pietro e il Canale Diamante; dal Fiume Secchia abbiamo il Canale Maestro che a valle della Fossa di Spezzano si divide in Canale di Corlo e Canale di Formigine, questi due ultimi corsi d’acqua assumono la funzione di recapito delle acque meteoriche provenienti dagli agglomerati urbani che attraversano a monte del Comune di Modena. Considerando la sezione di chiusura all’altezza dell’impianto di depurazione centrale su canale Naviglio in località Bertola, la superficie complessiva del bacino afferente è di 6.015,75 ettari. Il bacino presenta due andamenti altimetrici: nella parte a sud con una pendenza media del 1 per mille, mentre nella parte a nord con pendenze dell’ordine del 2 per mille.
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Dalla sezione di chiusura considerata, il Canale Naviglio prosegue sino alla confluenza col Fiume Panaro in Comune di Bomporto, caratterizzata da uno scarico condizionato mediante porte vinciane, con una pendenza media complessiva dello 0,5 per mille.
Figura 4.2 – Porte vinciane sul canale Naviglio alla confluenza con il Fiume Panaro
Il sottobacino est Il sottobacino est comprende la parte orientale della città ed è delimitato a sud dalla zona della località Santa Maria di Mugnano, a nord dalla congiungente Bastiglia Bomporto, a ovest dalla congiungente la strada di Albareto-via Bonacini via Cucchiari e la sponda destra del cavo Archirola, a est dal bacino del Torrente Grizzaga e dal Fiume Panaro. I principali canali che raccolgono le acque di questo bacino sono: il cavo Minutara, il Cavo Argine, e la Fossa Monda ai quali afferisce una rete minore composta da una serie di collettori e di fognature di piccolo diametro. La superficie complessiva del bacino è di 3.903 ettari con una pendenza media dell’ 1 per mille.
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Il bacino del Torrente Tiepido Il Bacino del Torrente Tiepido si estende in senso nord-sud: dalla sua confluenza nel Fiume Panaro immediatamente a valle della via Emilia Est in località Fossalta, alla pedemontana appenninica per una lunghezza complessiva di 28 km. In direzione ovestest: dal Bacino del Canale Naviglio fino alla sponda sinistra del Torrente Nizzola per una lunghezza variabile da 3 a 5 km, sviluppandosi su una superficie complessiva di 11.200 ettari. Le quote massime e minime del piano campagna sono rispettivamente 875 m/s.l.m. e 33 m/s.l.m. Questo Bacino presenta diversi andamenti altimetrici. La parte a sud ha pendenze molto accentuate, mentre la parte a nord, ha un andamento pianeggiante con una pendenza media del 1 per mille. I suoi principali corsi d’acqua sono i Torrenti Grizzaga, Gherbella, Tegagna e lo stesso Torrente Tiepido. Tra i fossi di scolo di rilevanza idraulica sono da ricordare la fossa Bernarda, la fossetta di via Grande e lo scolo Acquetta. Viene tagliato trasversalmente dai canali irrigui S. Pietro e Diamante provenienti dal Fiume Panaro. Nell’area modenese del bacino ricadono le frazioni di S. Damaso, S. Donnino, Portile, Paganine e le località Fossalta e Fornace. Il torrente Tiepido confluisce nel Fiume Panaro attraverso uno sbocco libero, dopo aver ricevuto le acque del torrente Grizzaga poco più a monte della via Emilia est in località Fossalta e dopo che quest’ultimo ha a sua volta ricevuto le acque del Torrente Gherbella.
I canali irrigui derivati La caratteristica peculiare dell’idrografia modenese è dovuta alla presenza di alcuni canali artificiali che derivano acque dai fiumi Secchia e Panaro. Dal Fiume Secchia ha origine: il Canale di Marzaglia, il Canale Maestro, che a valle della Fossa di Spezzano si divide in Canale di Corlo (denominato anticamente canale
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dei mulini) e Canale di Formigine; questi due corsi d’acqua, dopo aver attraversato gli agglomerati di Corlo, Formigine, Casinalbo e Baggiovara afferiscono alla rete fognaria urbana della città di Modena. Dal fiume Panaro hanno invece origine i canali S.Pietro e il Canale Diamante. Attualmente il Canale di Marzaglia e il Canale Diamante, non risultano più in grado di derivare acqua a causa dell’abbassamento degli alvei dei Fiumi Secchia e Panaro, provocato principalmente dall’escavazione di ghiaia esercitata nel corso dei decenni trascorsi.
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Capitolo 5. Il modello numerico della rete fognaria della città di Modena
5.1 La rete di drenaggio della città La rete di drenaggio di Modena è per il 90% di tipo misto, con alcuni tratti di rete separata, al 2005, circa 45 km. Le informazioni relative alla rete completa sono disponibili su file in formato proprietario di un programma GIS (Geographic Information System), ArcView 3.2 della ESRI Inc. Per l’utilizzo del software InfoWorks CS al fine di realizzare un modello numerico quali-quantitativo funzionale all’utilizzo anche a scopi non prettamente scientifici, ma progettuali e gestionali, si è scelto di semplificare la rete, implementando nel modello numerico una “rete maggiore” senza però perdere informazioni utili per una simulazione realistica ed efficace del comportamento del sistema di drenaggio. Individuate, infine, le incongruenze, le deficienze e gli errori veri e propri presenti nella rete così predisposta, sono state apportate le dovute correzioni, grazie al confronto con mappe (in formato cartaceo e digitale) ed elaborati progettuali messi a disposizione dal Settore Ambiente del Comune di Modena e da Hera S.p.A. La rete di drenaggio della città di Modena è prevalentemente, come detto di tipo misto, con alcuni tratti di rete separata: bianca e nera corrispondente in particolare ai nuovi interventi edificatori attuati sul territorio. La città ha sempre avuto un forte legame con il "tema acqua" essendo racchiusa territorialmente tra i due fiumi Secchia e Panaro, alle cui quote di massima piena, il suo assetto altimetrico soggiace. La fascia collinare posta alle spalle di Modena con terreno, la cui pendenza è variabile secondo la direttrice Sud-Nord, recapita le acque del territorio verso i canali posti a Nord della città. Complessivamente la fitta rete di canali e cloache del territorio supera i 700 km, comprensiva dei 20 km delle cloache presenti all'interno del centro storico
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"voltate" intorno al XVI secolo. L'importanza di queste cloache, le cui sezioni variano da 80 cm. a 6 m., non è mai stata solamente di natura idraulica, ma certamente anche di natura urbanistica, in quanto nel corso dei secoli, il reticolo dei canali ha fortemente condizionato la conformazione e lo sviluppo del centro urbano. Fino alla fine del secolo scorso, questa abbondanza d'acqua in transito nel territorio, resa disponibile sia dai numerosi fontanazzi presenti a Sud della città, sia da canali provenienti dal fiume Panaro (canale S. Pietro) che dal fiume Secchia (canale Maestro), era considerata una grande risorsa, in quanto consentiva la navigazione nel Canale Naviglio e nel contempo l'attività dei numerosi mulini presenti lungo i corsi d’acqua. Dal dopoguerra ai giorni nostri il processo evolutivo che ha interessato la città e con questo, lo sviluppo delle aree urbane, ha prodotto un aggravamento della situazione idraulica complessiva del territorio, inducendo alterazioni in termini di: infiltrazioni nel suolo, velocità dei deflussi superficiali e qualità delle acque. Si è quindi assistito ad una progressiva riduzione dei franchi idraulici originari posseduti dai bacini urbani ed extraurbani prima del "consumo territoriale" subito dalle aree soggette ad interventi edificatori. Oltre a questo, è da considerare, come le crescenti portate meteoriche in transito nella rete fognaria provochino delle alterazioni, a causa della eccessiva diluizione indotta sulle acque di scarico, ai processi depurativi dell'impianto centrale sul Canale Naviglio. Per le ragioni sopra esposte, il bilancio idraulico attuale del territorio oltre a non consentire, se non a seguito di determinati interventi strutturali e non, alcun incremento delle attuali superfici impermeabilizzate, richiede interventi strutturali di sgravio e attenuazione delle portate oggi afferenti al Canale Naviglio. Il centro storico della città di Modena, come in precedenza riportato, è attraversato da circa 20 km di cloache in mattoni che transitano per il 90% sotto i fabbricati, ciò ha inevitabilmente provocato nel corso dei secoli e provoca tutt’ora, problemi di ordine igienico-sanitario e strutturale, legati anche al difficoltoso accesso da parte degli operatori in grado di eseguire opere di manutenzione e pulizia degli stessi. Gli interventi di pulizia della rete vengono effettuati attraverso tre dilavamenti annuali concentrati nel periodo estivo; mentre la salvaguardia delle strutture in mattoni delle cloache, viene attuata attraverso una limitazione dei carichi veicolari diretti al centro storico.
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I canali principali che transitano nel centro storico sono, procedendo da Ovest verso Est: Fossa Circondariale Ovest, Cerca
Interna, Canale Sora, Canal Chiaro, Canale
Modenella, Canale d’Abisso, Canalino, Canale San Pietro, Fossa Circondariale Est, Terraglio. Allo stato attuale la rete presenta un interrimento complessivo medio che varia tra i 20 e i 40 cm. ciò provoca una riduzione delle sezioni dei collettori ed una conseguente limitazione della capacità di smaltimento delle portate afferenti, oltre che un ulteriore decremento qualitativo delle acque in transito. La rete di drenaggio all’esterno della vecchia cinta muraria che quindi svolge la funzione di recapito per le reti di drenaggio a servizio dei nuovi quartieri sorti nel corso degli anni, è caratterizzata da dorsali molto interconnesse afferenti principalmente al Canale Naviglio. Procedendo da Ovest verso Est a ridosso del centro urbano ed evidenziando solo i sistemi idraulicamente significativi abbiamo: il sistema del Canalazzo di Freto afferente direttamente nel Fiume Secchia, il canal Bianco afferente al sistema Cerca-Soratore -Naviglio, la Cerca Esterna e il cavo Sartori entrambi tributari del sistema Soratore-Naviglio, il Cavo Archirola, la Fossa Paduli tributaria della Fossa Circondariale Ovest, il Cavo Minutara che riceve i contributi di gran parte delle aree a Sud-Est della città afferente al canale Naviglio poco a monte del Comune di Bomporto, il Cavo Argine ed infine la Fossa Monda tributaria del cavo Minutara, che drena un vasto bacino esteso sino a sud della città all’interno del quale risiede il villaggio artigiano Modena Est. Sono oggi in corso opere di grande rilevanza idraulica tese a sottrarre quote di bacino e aliquote di portata al canale Naviglio, in grado così di riequilibrare l’intero sistema idraulico territoriale. In merito a quanto detto si riportano solamente le due principali opere: la prima è rappresentata dal Nuovo Collettore di Levante, ormai giunto al terzo stralcio, che effettua un trasferimento di portata dai canali posti a monte del centro storico al Cavo Minutara a est; la seconda invece è rappresentata dal Diversivo Martiniana posto a sud dell’autostrada e del territorio comunale, in grado di effettuare un taglio di bacino, sottraendo così al Canale Naviglio, una quota significativa dei bacini posti a monte della città, anche in territorio extra comunale, che contribuiscono oggi in termini rilevanti al bilancio complessivo delle portate transitanti nel sistema di drenaggio.
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Figura 5.1 – Rappresentazione GIS del reticolo di drenaggio del Comune di Modena
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Figura 5.2– Rappresentazione GIS della rete fognaria completa del centro urbano della città
Nella successiva Figura 5.3 viene riportata la versione definitiva della “rete maggiore” di drenaggio implementata nel modello di calcolo InfoWorks CS 8.05.
Figura 5.3 – Versione definitiva della rete simulata
80
5.1.1
I Macro Bacini di drenaggio
L’implementazione del modello numerico si è basata su un analisi preventiva delle caratteristiche morfologiche del territorio articolata in tre fasi, al fine di suddividere il territorio stesso, prima in una serie di macrobacini di drenaggio, poi di bacini ed infine di sottobacini (sottoinsiemi dei complessivi bacini) drenati dal sistema fognario modenese. Nella tavola di seguito allegata “Carta dei Bacini” si riporta la suddivisione del territorio analizzato, in tre macro bacini e cinque bacini ciascuno dei quali presenta caratteristiche proprie in merito ai deflussi originati, si fa notare come la rete di drenaggio urbana propria della città di Modena sia fortemente interconnessa con le aree rurali circostanti e come dai territori posti a monte del confine comunale modenese giungano alla rete in esame apporti idrici difficilmente stimabili con precisione per la mancanza di sezioni strumentate, in grado di fornire dati di portata in occasione di eventi pluviometrici. Il bacino centrale della città, in planimetria rappresentato in colore rosso infatti si estende a sud ben oltre non solo il centro urbano della città ma anche i confini comunali modenesi tanto da coinvolgere altri comuni il cui territorio risulta oggi fortemente urbanizzato, si fa riferimento in particolare al comune di Formigine, e che risultano avere come recapito finale delle acque meteoriche proprio il canale Naviglio, cioè la sezione di chiusura del bacino urbano della città di Modena a cui il nostro studio si rivolge. In fase di calibrazione del modello numerico, proprio questa ultima caratteristica del territorio, ha richiesto lo svolgimento di diversi sopraluoghi e rilievi delle sezioni dei canali posti in prossimità del confine comunale sud, destinati al drenaggio dei bacini extra comunali al fine di determinare con massima accuratezza il bilancio idrico delle portate addotte ai recapiti della rete in esame. Date le differenti caretteristiche morfologiche del territorio analizzato, inoltre, si è ritenuto opportuno dettagliare lo studio delle differenti tipologie superficiali afferenti alla rete di drenaggio della città. Tale analisi si è avvalsa dell’utilizzo dello strumento GIS ArcView 3.2 attraverso il quale è stato possibile gestire dati georeferenziati e così poter suddividere il territorio in 4 tipologie di superfici: strade, tetti, verde urbano e territorio rurale. Nella tavola presentata di seguito si mostra la suddivisione del territorio urbano del comune di Modena, in queste quattro tipologie di superfici.
81
5.1.2
Gli scaricatori di piena principali della rete
La dislocazione spaziale degli scaricatori di piena posti sul territorio, individuati attraverso triangoli di colore giallo e codici numerici, viene riportata nella tavola di seguito allegata insieme alla documentazione fotografica riferita a ciascuno di essi. Lo scaricatore SC1 sul Cavo Carrobbio
Lo scaricatore SC2 sul Canalazzo di Freto
82
Lo scaricatore SC3 sul Cavo Levata
Lo scaricatore SC4 del Cavo Soratore sul Canale Naviglio
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Lo scaricatore SC5 sul Canale Naviglio
Lo scaricatore SC6 sul Cavo Minutara all’altezza di via Divisione Acqui
84
Lo scaricatore SC7 sul Cavo Argine all’altezza di via Nonatolana
Lo scaricatore SC8 sul Cavo Argine all’altezza di via Portorico
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Lo scaricatore SC9 sul Cavo Minutara all’altezza di via Nonantolana
Lo scaricatore SC10 sulla Fossa Monda all’altezza di via Casette
86
Lo scaricatore SC11 sul Cavo Cazzola
Lo scaricatore SC12 sul Canal Nuovo di Albareto
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5.2 Calibrazione di tempo asciutto La determinazione delle portate di tempo asciutto (provenienti da scarichi civili, industriali ed eventualmente dal drenaggio della falda urbana) che defluiscono all’interno dei collettori della rete di Modena rappresenta un primo passo verso la determinazione delle concentrazioni di inquinanti in arrivo agli scaricatori di piena. Essendo infatti la rete di Modena, come detto, per la maggior parte una rete di tipo misto, tali acque di scarico defluiscono in tempo di pioggia insieme alle portate pluviali contribuendo evidentemente all’aumento delle concentrazioni dei principali parametri chimico-fisici di queste ultime. Quantificare le portate di tempo secco in transito nella rete di Modena, se pur con le ovvie approssimazioni, è risultato importante anche alla luce dello stato dei collettori“cloache” del centro storico dove, date le scarse pendenze e l’impossibilità di eseguire pulizie dei collettori, è notevole la presenza di sedimenti sul fondo dei condotti. La frazione solida depositata, da una parte rallenta il deflusso delle portate di tempo asciutto e dall’altra in occasione di eventi pluviometrici viene in parte rimessa in sospensione incrementando la portata solida in arrivo agli scaricatori di piena. Per poter eseguire la calibrazione di tempo asciutto del modello numerico della rete di drenaggio sono stati raffrontati: da una parte la pluviometria dell’anno 2006 e dall’altra le portate medie giornaliere in ingresso all’impianto di depurazione della città. Dall’analisi della serie pluviometrica si sono individuate in particolare tre giornate durante l’anno, precedute da un periodo di tempo secco superiore alle due settimane: 16/02/06, 26/06/06 e 15/11/06, in cui la portata in ingresso al depuratore pari a 788 [l/s] si manifestava costante e quindi non influenzata da eventi meteorici Al fine di rendere l’analisi il più fedele possibile alla situazione reale, sono stati analizzati i consumi idrici fatturati all’interno del comune di Modena, che essendo stati resi disponibili da HERA Modena insieme alle loro coordinate spaziali, è stato possibile raffrontare con i dati demografici della popolazione residente, aggiornati al 2006. Questa procedura ha permesso da una parte di quantificare spazialmente con buona precisione la portata di tempo secco e dall’altra di selezionare alcune giornate feriali e festive significative, per ciascuna delle quali sono stati calcolati i coefficienti orari della variazione della portata di tempo secco nella rete fognaria.
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coefficienti orari - Giornata Festiva 2.00 1.80 1.60 1.40
c(t)
1.20 1.00 0.80 0.60
01/04/2006 SABATO 02/04/2006 DOMENICA
0.40
11/03/2006 SABATO 12/03/2006 DOMENICA
0.20
C(t) MEDIO 0.00 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tempo [ore]
Figura 5.4 – Confronto fra coefficienti moltiplicatori orari c(t) per giornate festive Nella Figura 5.4 sopra riportata, sono descritti i coefficienti moltiplicatori orari dei consumi acquedottistici registrati in diverse giornate festive dell’anno; l’analisi statistica di tali dati ha portato alla definizione di una serie di coefficienti moltiplicatori orari medi, in grado di rappresentare con buona approssimazione l’andamento dei consumi acquedottistici nell’arco delle 24 ore. La stessa procedura statistica è stata adottata una volta individuate alcune giornate feriali significative durante il 2006 e come per il caso precedente è stato possibile definire una serie di coefficienti orari per le giornate feriali dell’anno Figura 5.5 Entrambe queste curve c(t) sono state implementate come dati di input nel software di calcolo ed applicate ad un valore di dotazione idrica media proprio del territorio considerato.
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coefficienti orari - Giornata Feriale 2.00 1.80 1.60 1.40
c(t)
1.20 1.00 0.80 0.60
05/04/2006 06/04/2006 27/04/2006 09/03/2006 C(t) MEDIO
0.40 0.20 0.00 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tempo [ore]
Figura 5.5 – Confronto fra coefficienti moltiplicatori orari c(t) per giornate feriali Gli stessi dati, riferiti all’anno 2006, hanno permesso di stimare la dotazione idrica media per il comune di Modena in 250 [ l /(ab ⋅ gg ) ], così da poter essere inserita come dato di input nel software di simulazione insieme ai dati demografici della popolazione residente. Si è scelto di adottare per la simulazione numerica delle portate di tempo asciutto una dotazione idrica pari a 250 [ l /(ab ⋅ gg ) ] per poter così tenere conto del consumo idrico industriale e quindi aggregare tale aliquota di portata al dato demografico dei residenti nel territorio comunale; tale approccio consente infatti di rispettare l’equazione di continuità del bilancio idrico. Di seguito, in Figura 5.6, viene riportato l’andamento orario simulato della portata di tempo asciutto in arrivo al depuratore centrale di Modena simulato dal modello numerico, sono specificati in aggiunta gli andamenti orari delle medesime portate defluenti nei collettori principali in ingresso al depuratore.
90
Portate di tempo secco in ingresso al Depuratore 1 0.9 0.8
Q [m3/s]
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tempo [ore]
Naviglio-Soratore
Coll di Nord_Est
TOT Portata al Dep
Figura 5.6 – Portate di tempo asciutto al depuratore simulate da InfoWorks
Come mostrato dal grafico, l’andamento della portata totale in ingresso al depuratore (curva rossa) risulta essere quello medio rilevato dalle osservazioni effettuate sul campo.
5.3 Analisi di Sensitività dei parametri idrologici Premessa
Un modello matematico di drenaggio urbano, in funzione dell’approccio metodologico che adotta nel rappresentare i fenomeni fisici che avvengono sia sul bacino scolante che all’interno della rete, riesce a fornire risultati soddisfacenti, cioè in buon accordo con i dati registrati in campo, se si adottano nelle procedure di calcolo appropriati valori dei parametri che caratterizzano le relazioni di calcolo alla base dei risultati stessi.
91
Accade spesso, inoltre, che la risposta del bacino sia di tipo non lineare e quindi, che i valori dei parametri che forniscono le ricostruzioni con scarti minori tra grandezze misurate e simulate siano diversi da evento a evento. A queste incertezze si deve aggiungere che non sempre i parametri dei modelli riescono a conservare il significato fisico a essi direttamente legato (si pensi al coefficiente d’afflusso, al volume dei piccoli invasi nel semplice metodo dell’invaso o al tempo di ruscellamento nell’altrettanto semplice metodo della corrivazione) sicché spesso si finisce con l’attribuire agli stessi parametri l’intera incertezza di carattere idrologico e idraulico della modellazione adottata. In tal modo l’utente del modello, non riconoscendo più in maniera inequivocabile il significato dei parametri e quindi il più credibile valore da attribuire agli stessi all’interno di una prefissata fascia, rischia di effettuare simulazioni poco corrette e pervenire a risultati tutt’altro che affidabili. L’affidabilità delle previsioni di progetto ottenute con i modelli, pertanto, si consegue attraverso la calibrazione o taratura e la successiva validazione o verifica degli stessi. Calibrazione e validazione sono due fasi distinte, anche quando vengano condotte con le stesse modalità. Attraverso la calibrazione si ricercano i valori che assicurino, nel complesso, un buon accordo fra le portate e i volumi registrati e le analoghe grandezze ottenute tramite le simulazioni dei modelli, con riferimento a un ben individuato campione di eventi afflussi-deflussi disponibili. Con la validazione, invece, ci si prefigge di valutare le prestazioni del modello con gli stessi valori dei parametri, ma con un campione di eventi diverso da quello adoperato in fase di calibrazione. Anche quando si disponesse di affidabili dati sperimentali, la calibrazione e la validazione possono non fornire risultati utilizzabili con sicurezza per il progetto: gli eventi a base di calcolo, infatti, hanno spesso tempi di ritorno più elevati di quelli degli eventi disponibili, per cui i valori dei parametri potrebbero non essere appropriati per le ricostruzioni significative a scopi progettuali. La calibrazione consta di fasi successive: La prima è la scelta dei parametri, dipendente dalla struttura del modello adottato e da considerazioni legate all’opportunità di limitare il numero dei parametri da tarare, escludendo quelli rispetto ai quali il modello è poco sensibile.
92
L’analisi di sensibilità o sensitività consiste, infatti, nell’accertare l’incidenza della variazione di ciascun parametro del modello sul risultato finale; essa è molto utile proprio quando non si disponga di casi sperimentali di confronto e si voglia trasferire l’uso del modello a casi diversi da quelli per i quali esso è stato tarato. La seconda consiste nella scelta di un criterio di valutazione, che può essere di tipo euristico ovvero conseguire alla definizione di una determinata funzione obiettivo (O.F.). Con i criteri euristici la valutazione della bontà delle prestazioni del modello si basa sul giudizio pseudo-oggettivo dell’utente, che confronta, a seconda dello scopo per cui viene adoperato il modello, portate al colmo registrate e simulate, volumi dell’evento di piena, tempi di occorrenza della portata al colmo. Altrettanto utili sono i cosiddetti metodi grafici, basati sul confronto, su diagrammi, dei valori dei volumi Vo o delle portate Qo osservati, con i corrispondenti valori Vs e Qs simulati. Giudizi più oggettivi si hanno facendo statistiche dei rapporti fra volumi o portate osservati e i corrispondenti valori simulati. Ovviamente si adotteranno quei parametri che avranno fornito valori di detti rapporti prossimi all’unità. In maniera ancor più oggettiva la calibrazione si effettua ricorrendo al calcolo basato sulle funzioni obiettivo O.F., che costituiscono uno strumento cui si ricorre quando l’informazione sperimentale disponibile è affidabile e quantitativamente consistente. Se si opta per il metodo della O.F. la calibrazione richiede un ulteriore passo, consistente nella scelta del metodo di ottimizzazione ed, eventualmente nel criterio di convergenza. Una volta che il modello sia stato calibrato si può procedere con la validazione. 5.3.1
La scelta dei parametri per l’analisi quantitativa
Per lo studio degli aspetti quantitativi è necessario prioritariamente considerare il processo fisico che comporta la trasformazione afflussi-deflussi, la quale può essere suddivisa in tre fasi:
93
•
perdite iniziali;
•
perdite continue durante l’evento (imputabili al fenomeno dell’infiltrazione);
•
propagazione sulla superficie del bacino;
Le perdite iniziali sono dovute all’accumulo nelle depressioni superficiali del bacino: Esse possono essere valutate, o come valore assoluto inserito dall’utente, o come funzione delle caratteristiche della superficie considerata seconda l’espressione:
D=
k s
dove: D = altezza della lama d’acqua che costituisce la perdita iniziale [m] s = pendenza della superficie [m/m] k = coefficiente che riflette la topografia della superficie [m]. Le perdite continue durante l’evento sono valutate dalla espressione:
PR = 0,829 ⋅ Pimp + 29 ⋅ Soil + 0, 078 ⋅UCWI − 20, 7
dove: PR = percentuale della pioggia lorda che defluisce sul bacino Pimp = percentuale di superficie impermeabile Soil = indice che tiene conto della capacità di infiltrazione del suolo UCWI = indice di bagnabilità del suolo; il suo valore è funzione della quantità di pioggia caduta nei cinque giorni precedenti l’evento e del deficit di umidità del suolo. Per ogni sottobacino una volta valutata la pioggia netta con i metodi sopra esposti, si propaga tale quantità dalla superficie all’interno di ogni pozzetto in cui è stata schematizzata la rete. Per fare questo InfoWorks schematizza ogni tipologia di superficie come due serbatoi in serie per rappresentare sia l’accumulo che si verifica sulla superficie del bacino sia il ritardo tra il picco di pioggianed il picco di portata. Così
94
facendo in ingresso alla rete fognaria si ha una portata ridotta come valore e ritardata nel tempo rispetto al picco di pioggia. L’equazione differenziale che si ottiene dalla combinazione dei due serbatoi è: d 2q dq k + 2⋅k + q = in 2 dt dt 2
dove: q = portata in uscita dai due serbatoi in = pioggia netta k = costante del serbatoio Sulla base di tali relazioni, per accertare l’incidenza sul modello numerico dei parametri di deflusso, sono state fatte diverse simulazioni considerando per ognuna la variazione di un singolo diverso parametro caratterizzante le relazioni di calcolo. Tale metodologia ha permesso di definire un criterio di scelta per la variazione poi, in fase di calibrazione, dei parametri precedentemente descritti. Per questo tipo di analisi si è deciso di utilizzare un evento pluviometrico di intensità costante pari a 5 [mm/h] e durata pari a 5 ore.
Figura 5.7 – Rappresentazione da parte di InfoWorks dello ietogramma utilizzato
95
Per ciascuna delle equazioni caratteristiche del processo afflussi-deflussi sono stati individuati dei valori da attribuire ai parametri costituenti le relazioni stesse e proprie della tipologia di superficie analizzata (stradale, a tetto o a verde) tali da poter ottenere nel loro insieme una “condizione base” su cui agire mediante l’analisi di sensitività: Tipo
Pendenza
Perdite
Coeff.
Coeff.
Distib.
Coeff.
Superficie
Terreno
Iniziali
Deflusso Min
Deflusso Max
Deflusso
Ruscellamento
Strada
0.0
0.000071
0.2
1.0
1.0
1.0
Tetto
0.05
0.00004
0.2
1.0
1.0
1.0
Verde
0.0
0.00028
0.0
1.0
0.1
1.0
Tabella 5.1 – Parametri adottati come “caso base” per l’analisi di sensitività
In merito alle caratteristiche fisiche delle superfici (strade, tetti, verde) presenti in ciascuno dei sottobacini afferenti alla rete di drenaggio, si fa notare come non siano state modificate la loro rispettiva estensione così come non sono state modificate le estensioni complessive di ogni sottobacino. Tali caratteristiche specifiche risultano, ovviamente, molto influenti dal punto di vista idrologico sui risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche; proprio a seguito di questa considerazione, si è proceduto ad un’analisi puntuale della conformazione ed estensione di ogni singolo sottobacino drenante nei nodi che compongono la rete. Queste verifiche, fondamentali per l’effettiva veridicità dei risultati ottenuti, sono state realizzate mediante l’analisi (svolta con il software GIS - ArchView 3.2) di dati georeferenziati e con l’ausilio di recenti foto aeree del territorio, nonché avvalendosi di consulenze fornite dai tecnici del settore ambiente del Comune di Modena. Gli esiti delle analisi di sensitività svolte sono stati valutati nelle sezioni dei canali Soratore e Naviglio immediatamente a monte del depuratore centrale della città. Nei grafici successivi, per una più facile interpretazione, sono presentati tali esiti attraverso gli idrogrammi simulati nella sezione di chiusura del bacino centrale della città, considerata sul canale Naviglio in località Mulini Nuovi.
96
97
98
99
5.4 Calibrazione e Verifica del modello numerico La calibrazione è stata effettuata sulla base dei dati misurati riferiti ad un evento pluviometrico invernale prolungato nel tempo, ma di modesta entità registrato nei giorni: 9-10-11 Dicembre 1996 (Figura 5.8). Grazie infatti alla disponibilità dei dati di portata relativi ai canali Soratore e Naviglio in corrispondenza della sezione di chiusura del bacino centrale del territorio comunale (posta immediatamente a monte del depuratore), a cui per altro afferisce gran parte dell’area urbana della città ed i contributi apportati dalle aree extra comunali, attraverso il Cavo Cerca, Canale di Formigine e Canale di Corlo; è stato possibile svolgere con precisione un’analisi di calibrazione per ogni sottobacino sotteso da questi canali.
0
30 ietogramma Naviglio Soratore
2
25
4 20
i [mm/h]
Q [m3/s]
6 15 8
10 10
5
12
0 0
600
1200
1800
2400
3000
14 3600
Tempo [min]
Figura 5.8 – Ietogramma e Idrogrammi utilizzati in fase di calibrazione
Di seguito sono riportati gli esiti delle diverse simulazioni effettuate per giungere alla calibrazione del modello numerico.
100
101
102
Alla luce dei numerosi risultati ottenuti dalle simulazioni presentate in precedenza, si è scelto di procedere alla definizione di appropriate funzioni obiettivo, che consentissero di misurare con estrema precisione lo scarto fra i valori simulati e quelli osservati. Si è scelto di utilizzare a questo scopo, tre forme di funzioni obiettivo: 1) Deviazione quadratica totale che misura lo scarto, per ogni passo temporale i di un singolo idrogramma, fra le portate osservate Q0 e quelle simulate Qs:
n
O.F =
∑ (Q
oi
i =1
− Qsi ) 2
n
∑Q i =1
oi
2) Errore sulla portata al colmo Qp di un singolo idrogramma:
O.F . =
Qo , p − Qs , p Qo , p
3) Errore sul volume defluito di un singolo idrogramma:
O.F . =
Vo − Vs Vo
Dopo avere ottenuto il valore di ogni singola funzione obiettivo per ciascuna simulazione effettuata, si è proceduto poi alla somma di questi sempre per ciascuna simulazione; fino a giungere così alla determinazione della simulazione e quindi dei relativi parametri idrologico-idraulici che approssimassero meglio i risultati osservati. Tale analisi statistica ha consentito una definizione ottimale dei parametri di calcolo in quanto si è potuto constatare come il modello numerico, una volta calibrato fosse in grado di rappresentare il fenomeno reale con estrema precisione dal punto di vista, come detto, della forma dell’idrogramma, del suo colmo di piena e del volume sotteso dallo stesso.
103
Di seguito si riportano in tabella 5.2 i risultati dell’applicazione delle tre funzioni obiettivo a ciascuna simulazione effettuata: n° Simulazione 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
OF (Navi)
OF (Sora)
0.03008 0.02715 0.02437 0.02123 0.02009 0.01781 0.01683 0.01682 0.01692 0.01692 0.01605 0.01604
TOT
0.02991 0.02627 0.02286 0.01949 0.01818 0.01719 0.01725 0.01725 0.01733 0.01732 0.01624 0.01624
ER VOL (Navi) 0.62880 0.56649 0.50472 0.42897 0.38050 0.29099 0.25542 0.25573 0.25254 0.25279 0.30277 0.30342
ER VOL (Sora) 0.57210 0.48978 0.40558 0.30304 0.22983 0.10766 0.06721 0.06746 0.06392 0.06415 0.12317 0.12367
ER Qmax (Navi) 0.57215 0.48957 0.41023 0.31082 0.27057 0.17567 0.12345 0.12345 0.12345 0.12345 0.12373 0.12373
ER Qmax (Sora) 0.55559 0.45165 0.34825 0.22927 0.16631 0.04933 0.00840 0.00840 0.00831 0.00831 0.00960 0.00960
0.01604 0.02477 0.01584 0.01584 0.01480 0.01480 0.01461 0.01419 0.01420 0.01382 0.01378 0.01338 0.01313 0.01304 0.01189 0.01300 0.01287 0.01287 0.01287 0.01300 0.01255 0.01263 0.02392 0.01392 0.01391
0.01625 0.02142 0.01560 0.01560 0.01568 0.01568 0.01536 0.01353 0.01460 0.01381 0.01372 0.01275 0.01100 0.01163 0.01042 0.01050 0.00973 0.00973 0.00973 0.01050 0.01037 0.01021 0.02065 0.00964 0.00956
0.30714 0.53141 0.31841 0.31873 0.28611 0.28611 0.28604 0.30035 0.28587 0.28564 0.28578 0.28564 0.29252 0.29696 0.26461 0.29553 0.29684 0.29684 0.29684 0.29553 0.28408 0.28823 0.50575 0.32360 0.32380
0.12660 0.43450 0.14112 0.14137 0.10578 0.10578 0.10603 0.12591 0.10671 0.10747 0.10750 0.10819 0.11885 0.05278 0.09056 0.12307 0.12574 0.12574 0.12574 0.12307 0.11122 0.11614 0.40660 0.16153 0.16136
0.12373 0.19564 0.12445 0.12445 0.06697 0.06697 0.06810 0.07399 0.07236 0.07839 0.07738 0.08275 0.09265 0.09642 0.04367 0.09627 0.10203 0.10203 0.10203 0.09627 0.07477 0.07519 0.19653 0.07945 0.07797
0.00960 0.08646 0.00975 0.00975 0.03030 0.03030 0.03005 0.02430 0.02475 0.01489 0.01579 0.00453 0.01333 0.22374 0.01788 0.01904 0.03066 0.03066 0.03066 0.01904 0.00451 0.00469 0.07340 0.00682 0.00737
2.38862 2.05091 1.71601 1.31282 1.08548 0.65865 0.48856 0.48912 0.48246 0.48294 0.59156 0.59270 0.59935 1.29421 0.62518 0.62576 0.51964 0.51964 0.52020 0.55227 0.51850 0.51401 0.51395 0.50725 0.54148 0.69455 0.43904 0.55740 0.57788 0.57788 0.57788 0.55740 0.49751 0.50709 1.22684 0.59495 0.59397
0.01313
0.01034
0.30927
0.13455
0.09460
0.02063
0.58253
Tabella 5.2 – Risultati dell’applicazione delle funzioni obiettivo alle simulazioni di calibrazione
104
Tali analisi hanno portato a scegliere la combinazione di parametri idrologici-idraulici da assegnare al modello numerico che consentissero di ottenere la rappresentazione del fenomeno reale riportata nella Figura 5.9 successiva.
Naviglio Calibrato 18 Navi misurato
16
Navi sim 28 14
Q [m3/s]
12
10
8
6
4
2
0 0
600
1200
1800
2400
3000
3600
Tempo [min]
Soratore Calibrato 25 Sora misurato Sora sim 28 20
Q [m3/s]
15
10
5
0 0
600
1200
1800
2400
3000
3600
Tempo [min]
Figura 5.9 – Confronto fra gli idrogrammi misurati e simulati di Naviglio e Soratore
105
Si fa notare come il campione misurato fa riferimento ad un periodo invernale, con possibilità di terreno parzialmente saturo e condotti con portata leggermente maggiore di quella di tempo secco, anche alla luce di queste considerazioni, i risultati ottenuti si possono ritenere perfettamente attendibili. Una volta conseguita la calibrazione del modello, si è proceduto alla sua validazione, svolta sulla base di un evento pluviometrico estivo di notevole intensità ma di breve durata, registrato il 17 Agosto 1998, (Figura 5.10).
0
50 ietogramma Naviglio
45
20
Soratore 40
40
35 60
80 25 100
i [mm/h]
Q [m3/s]
30
20 120 15 140
10
160
5
0 0
60
120
180
240
300
360
420
480
180 540
Tempo [min]
Figura 5.10 – Ietogramma e Idrogrammi utilizzati in fase di validazione
Sono così stati verificati i parametri adottati nel modello numerico per le simulazioni quantitative della rete fognaria della città di Modena. Di seguito i figura 5.11 sono riportati gli idrogrammi simulati di Naviglio e Soratore ottenuti in fase di validazione.
106
Validazione Naviglio
35 Navi oss Navi sim
30
Q [m3/s]
25
20
15
10
5
0 0
100
200
300
400
500
600
Tempo [min]
Validazione Soratore 45 Sora osservato 40
Sora simulato
35
Q [m3/s]
30
25
20
15
10
5
0 0
100
200
300
400
500
600
Tempo [min]
Figura 5.11 – Confronto fra gli idrogrammi misurati e simulati di Naviglio e Soratore
107
5.5 Analisi di Sensitività dei parametri qualitativi Per quanto riguarda la qualità delle acque, non essendo a disposizione per la città di Modena dei dati puntuali rilevati sul campo relativi alle concentrazioni dei principali inquinanti transitanti nella rete fognaria in occasione di eventi pluviometrici e tantomeno indicazioni specifiche sulle concentrazioni degli stessi inquinanti in arrivo agli scaricatori di piena della rete; si è ritenuto necessario procedere ad un’analisi di sensitività dei parametri qualitativi utilizzati da InfoWorks nelle schematizzazioni dei processi qualitativi in atto nei bacini e nella rete oggetto del nostro studio e quindi simulati dallo stesso modello di calcolo. Per tale tipo di analisi è stato scelto di utilizzare due eventi pluviometrici reali registrati nel territorio modenese con caratteristiche differenti per intensità e per durata. Gli eventi reali utilizzati sono gli stessi su cui si è basata la fase di calibrazione e validazione quantitativa del modello numerico, vale a dire quello invernale di lunga durata e media intensità registrato nei giorni 9-10-11 Dicembre 1996 e quello estivo, invece, di breve durata ma di notevole intensità registrato il 17 Agosto 1998. La scelta di adottare questi due differenti eventi pluviometrici è stata fatta a seguito della considerazione di come le caratteristiche di ciascun evento pluviometrico possano influire anche notevolmente sugli aspetti qualitativi dei deflussi urbani. Così facendo si è cercato di perseguire da un lato la maggior attendibilità dei risultati ottenuti dal modello numerico implementato e dall’altro la miglior approssimazione degli stessi risultati reali ottenibile con l’adozione di un unico range di parametri di calcolo. Seguendo lo schema logico, proposto di seguito, che riassume le fasi principali della formazione e propagazione degli inquinanti nelle reti di drenaggio, si è compiuta la scelta di agire sui parametri adottati da InfoWorks nelle relazioni che schematizzano proprio questi processi: •
Accumulo di sostanze inquinanti sulla superficie del bacino ed in fognatura durante il tempo secco;
•
Dilavamento della superficie durante gli eventi di pioggia ed ingresso in fognatura delle sostanze inquinanti;
108
•
Trasporto di inquinanti nella rete fognaria, incluso il deposito e l’erosione dei sedimenti e la trasformazione degli stessi per reazione chimica;
Il primo aspetto considerato è, dunque, l’accumulo superficiale durante il tempo secco. Esso viene modellato secondo un andamento di tipo esponenziale:
M a (dts ) = A ⋅ Pimp ⋅
Ps ⋅ (1 − e − Disp⋅dts ) Disp
dove: Ma(dts) = massa accumulata sulla superficie del bacino [kg] A = area totale del bacino [ha] Pimp = frazione di superficie impermeabile Ps = tasso di accumulo dei solidi [kg/ha ⋅ gg] Disp = coefficiente di scomparsa (1/gg), rappresenta la scomparsa delle particelle dovuta al vento, al traffico automobilistico, alla degradazione biologica e biochimica dts = durata del tempo secco antecedente la pioggia [gg] Nell’istante in cui inizia l’evento pluviometrico si ha il lavaggio del materiale accumulato sul bacino ed il conseguente trasporto dello stesso nella rete fognaria. L’equazione utilizzata per valutare la massa trasportata in fognatura è la seguente:
dM a = − Arra ⋅ Ma dt dove:
Ma = masa trasportata [kg]; Arra = coefficiente di lavaggio [mm-1] P = deflusso sul bacino [mm/h]
109
Il coefficiente di lavaggio viene calcolato con la seguente relazione:
Arra = a ⋅ Pn(t )b − c ⋅ Pn(t ) dove:
Pn = pioggia netta [m/s]; a,b,c = coefficienti numerici; Gli altri inquinanti, diversi dai solidi in sospensione, vengono modellati come frazione dei solidi tramite un fattore KP funzione del tipo di inquinante e dell’intensità massima dell’evento su un intervallo di 5 minuti.
Fn (t ) = KPn ⋅ FS (t ) dove:
Fn(t) =portata massica dell’inquinante considerato [kg/s] KPn = fattore di conversione per l’inquinante considerato FS(t) = portata massica di sedimenti [kg/s] Il valore di KP è dato da una espressione del seguente tipo:
KP = ai ⋅ ( I max 5 − bi )ci + di Dove i valori dei coefficienti numerici ai, bi, ci e di sono funzione del costituente considerato. Per valutare il trasporto degli inquinanti in fognatura, viene adottata la formulazione proposta da Ackers-White (1980), che si basa sulla stima di due parametri caratteristici dei sedimenti presenti in fognatura: il loro diametro medio (D50) ed il loro peso specifico relativo (Ps). La determinazione delle condizioni di tempo asciutto utilizzate per definire gli aspetti quali-quantitativi prima dell’inizio dell’evento è stata svolta disponendo dei dati in ingresso al depuratore centrale della città nell’anno 2006. Le caratteristiche proprie di tali portate sono elencate in tabella 5.3.
110
Anno 2006 Parametri pH COD COD dopo 1 ora di sedim. BOD5 Solidi Sospesi Totali Ammoniaca Azoto nitrico Azoto (ammoniacale + nitrico) Fosforo totale Tensioattivi Cloruri Solfati Boro Piombo Rame Zinco Cadmio Nichel Cromo totale Mercurio
U.d.M. [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l]
Entrata 7,6 165 94 64 115 17,8 1,1 15,0 3,2 4,0 236 233 0,3 <0,020 0,036 0,380 <0,005 <0,015 <0,015 <0,001
Uscita 7,7 29
Abbatt. [%]
7 13 1,4 12,2 13,3 2,6 0,7 245 221 0,4 <0,020 0,016 0,138 <0,005 <0,015 <0,015 <0,001
89,3 88,5 92,1
82,5
11,5 21,2 83,7
Tabella 5.3 – Valori medi annuali dei parametri al depuratore nell’anno 2006
Come per le analisi di sensitività svolte per il modulo idrologico-idraulico, sono state effettuate diverse simulazioni variando in ognuna un solo parametro, al fine di conseguire una ottimale verifica della risposta da parte del modello numerico alle diverse sollecitazioni “qualitative” imponibili dall’utente. Gli esiti delle analisi di sensitività svolte sono stati valutati nelle sezioni dei canali Soratore e Naviglio immediatamente a monte del depuratore centrale della città. Per una più facile interpretazione, di seguito sono riportati gli esiti di tali simulazioni attraverso gli idrogrammi e i pollutogrammi rilevati nella sezione di chiusura del bacino centrale della città, considerata sul canale Naviglio in località Mulini Nuovi. Con tali simulazioni, in particolare, sono stati analizzati per il caso della città di Modena i tre fenomeni precedentemente descritti che, data la particolare conformazione del territorio modenese, i suoi usi del suolo, la presenza di un reticolo fognario spesso interconnesso ad un reticolo di canali superficiali, si sono rivelati peculiari per il caso studiato.
111
112
113
114
Come mostrato dai risultati delle analisi di sensitività espressi dai grafici precedentemente riportati, risulta evidente come i parametri più importanti a cui il modello mostra maggiore sensibilità sono relativi ai coefficienti di washoff: a e b; attraverso infatti, una loro anche minima variazione, si ottengono risultati in termini di concentrazioni di solidi sospesi totali notevole. Proprio su tali parametri si è dunque deciso di agire per ottenere da parte del modello numerico una rappresentazione affidabile e realistica dei fenomeni legati alla qualità dei deflussi urbani per la città di Modena. Le simulazioni svolte hanno portato alla definizione dei parametri da assegnare ad InfoWorks, di seguito elencati, per la più efficace schematizzazione dei processi legati ai fenomeni qualitativi propri del territorio considerato. Per l’accumulo superficiale o build-up:
Parametro
Valore adottato
Valore di default
7,8
6 - 25
18
6 - 25
0,08
0,08
Accumulo superficiale: area urbana [kg/ha/gg] Accumulo superficiale: area artigianale/industriale [kg/ha/gg] Fattore di scomparsa [1/gg]
Tabella 5.4 - Parametri adottati per l’accumulo superficiale
In merito al valore del tasso di accumulo di tempo secco (variabile in funzione dell’uso del suolo), si fa notare in questa sede, come si sia giunti alla definizione di un tasso medio pesato sull’area urbana della città pari a circa 7,8 [kg/ha/gg] considerando differenti tassi di accumulo per le diverse tipologie di aree presenti nel territorio comunale. Di seguito, Tabella 5.5, sono elencati i tassi caratteristici delle diverse tipologie territoriali presenti nel territorio analizzato.
115
Tasso di accumulo [kg / ha ⋅ gg )]
Classe
Urbano continuo
10
Urbano discontinuo
8
Aree industriali/artigianali
20
Strade/Ferrovie
15
Aree verdi urbane
3
Verde generale
3
Tabella 5.5– Tassi di accumulo in funzione delle diverse tipologie territoriali presenti nella città di Modena
Per il lavaggio superficiale o wash-off:
Parametro
Valore adottato
Valore di default
a (Solidi in sospensione)
7*107
1*108
b (Solidi in sospensione)
1,85
2,022
c (Solidi in sospensione)
29
29
ai (BOD)
1,28
0,28
bi (BOD)
0
0
ci (BOD)
-0,572
-0,572
di (BOD)
0
0
ai (COD)
3,47
2,47
bi (COD)
0
0
ci (COD)
-0,28
-0,419
di (COD)
0
0
Tabella 5.6 – Parametri adottati per il lavaggio superficiale
Per la caratterizzazione dei sedimenti presenti in fognatura:
Parametro
Valore adottato
Valore di default
D50
0,3
0,04
Peso specifico relativo
1,8
1,7
Tabella 5.7 – Parametri adottati per descrivere le caratteristiche dei sedimenti in fognatura
116
Per la definizione qualitativa delle portate di tempo asciutto:
Parametro
Valore adottato
Valore di default
Portata [l/ab*gg]
250
250
Solidi in sospensione [mg/l]
115
230
BOD ]mg/l]
64
160
COD [mg/l]
165
190
Tabella 5.8 – Parametri adottati per definire le caratteristiche del liquame in tempo secco
117
118
Capitolo 6. Analisi delle criticità ambientali e dimensionamento di invasi per la mitigazione dell’impatto degli scaricatori di piena
Premessa In questo capitolo vengono riportati i risultati delle simulazioni condotte sulla rete di drenaggio della città di Modena, al fine di analizzare l’impatto ambientale che gli scaricatori di piena provocano nei corpi idrici ricettori, in termini di volumi idrici, masse di Solidi Sospesi Totali e di BOD sversati. Per conseguire questo obiettivo, preliminarmente è stato studiato il comportamento del sistema fognario modenese nel suo stato attuale, ricorrendo alla simulazione in continuo delle serie storiche di eventi pluviometrici registrati nel 2005 e nel 2006 a Modena e disponibili con intervalli di registrazione di 5 minuti.
6.1 Confronto fra simulazioni in continuo e simulazioni singole In previsione della realizzazione di simulazioni in continuo, si è voluto verificare e dimostrare la precisione delle simulazioni in continuo rispetto a quelle dei singoli eventi o di eventi di progetto, in merito al calcolo del dilavamento superficiale dei sedimenti da parte della pioggia e, di conseguenza, al calcolo delle masse di solidi sospesi sversate dagli scaricatori. Di seguito viene fatta menzione delle considerazioni logiche che ci hanno portato a esprimere tale affermazione. Nelle simulazioni basate su singoli eventi, viene dato un tempo di buildup uguale all’intervallo di tempo che intercorre tra la fine dell’evento precedente e l’inizio dell’evento simulato. In merito a questo si è verificato come il calcolo dell’accumulo superficiale non cambia nelle simulazioni in continuo (dove il tempo di buildup è definito automaticamente dal software) rispetto alle simulazioni singole (dove invece viene imposto il tempo di buildup).
119
La differenza risiede piuttosto nel fatto che le simulazioni singole, contrariamente a quelle in continuo, non possono considerare la massa di sedimenti rimasta in superficie al termine dell’evento meteorico precedente quello simulato, per cui il dilavamento nella simulazione singola potrà risultare sensibilmente inferiore a quello nella simulazione continua, relativamente all’evento considerato. In sostanza, si può affermare che la simulazione in continuo calcoli con maggior precisione la quantità di sedimenti dilavati dalla pioggia in virtù di una sorta di “memoria storica” dell’evento precedente. Se ciò corrispondesse al vero, si avrebbe come conseguenza una massa di sedimenti sversati dagli scaricatori, maggiore nella simulazione in continuo rispetto alla simulazione del singolo evento, tanto più quanto modesta risultasse l’intensità di pioggia dell’evento precedente (in tal modo infatti, sarebbe maggiore la massa di sedimenti lasciata in superficie dall’evento precedente stesso). Per suffragare questa ipotesi sono state messe a confronto: la simulazione continua del mese di Maggio 2006 con le simulazione dei tre eventi meteorici occorsi in quel mese ed un evento di progetto rappresentato attraverso uno ietogramma Chicago con tempo di ritorno 2 anni. La tabella 6.1 riassume gli esiti del confronto, dal quale si notano evidenti differenze circa le masse di Solidi Sospesi Totali sversate a seguito del secondo e del terzo evento in particolare, effettivamente entrambi gli eventi di modesta intensità lasciano la maggior parte di sedimenti in superficie, disponibili perciò al dilavamento da parte dell’evento successivo; nella simulazione continua il dilavamento coinvolge anche quella parte di sedimenti che gli eventi precedenti avevano lasciato in superficie. Si fa notare inoltre come la simulazione condotta con uno ietogramma di progetto di tipo Chicago, non sia paragonabile ad alcun evento reale. Evento
09/05/06
Intensità max [mm/h] 8,4
Durata evento [min] 1050
Tempo secco antecedente [giorni] 8
SST sversati singola sim. [kg] 5244
SST sversata sim. continua Maggio .06 [kg] 5280
∆% fra sim. singola e continua 0,7
14/05/06
4,8
535
4
999
52206
98
24/05/06
15,6
60
9
213
4194
94
6456
61680
TOT CH TR2
180
210
10
66927
Tabella 6.1 – Confronto fra simulazioni singole ed in continuo
120
6.2 Gli eventi simulati in continuo Le simulazioni realizzate si basano sugli eventi pluviometrici registrati negli anni 2005 e 2006 a Modena, Figure 6.1 e 6.2. Dalle serie continue di dati si può notare come gli eventi pluviometrici registrati sono molto variabili l’uno dall’altro quanto ad intensità e durata; ciò nonostante si riesce ad evidenziare come nei periodi autunnale ed invernale sono concentrati gli eventi di lunga durata ed intensità media o bassa, mentre in estate ed in particolare nel periodo che va dalla metà di Agosto alla metà di Settembre si concentrino gli eventi più brevi ed intensi. Si fa notare come siano state riscontrate grosse differenze fra i due anni in esame, basti pensare alla differenza dei millimetri di pioggia totali caduti nei due anni: 718 nel 2005, rispetto ai 408 del 2006. In aggiunta a tale considerazione è essenziale in particolare considerare come il 2005 sia stato un anno particolarmente severo dal punto di vista dell’intensità di pioggia caduta sulla città di Modena, con la manifestazione di ben tre eventi con tempi di ritorno secolari, tali da fare ritenere il 2005 un’annata del tutto eccezionale. Quest’ultima caratteristica propria della serie storica del 2005 ha portato alla scelta di utilizzarla, insieme a quella del 2006, per la valutazione dello stato attuale della rete in merito alla determinazione degli scaricatori a grande impatto; invece per il dimensionamento degli invasi mitigatori degli sversamenti, si è ritenuto più opportuno utilizzare la sola serie storica del 2006, considerata più rappresentativa delle condizioni pluviometriche medie del territorio. L’opportunità di utilizzare nelle simulazioni in continuo due serie storiche annuali differenti ha consentito di eseguire un confronto efficace fra i risultati ottenuti, così da poter stilare con garanzia, una graduatoria degli scaricatori più impattanti anche alla luce delle più mutevoli condizioni atmosferiche, che come ricordato in precedenza rivestono spesso un ruolo determinante nelle analisi qualitative dei deflussi.
121
80
70
Precipitazione giornaliera [mm]
60
50
40
30
20
10
0 1/1
15/1
29/1
12/2
26/2
12/3
26/3
9/4
23/4
7/5
21/5
4/6
18/6
2/7
16/7
30/7
13/8
27/8
10/9
24/9
8/10 22/10 5/11 19/11 3/12 17/12 31/12
Tempo [gg/mese]
Figura 6.1 – Serie storica pluviometrica registrata nel 2005 a Modena ed adottata per le simulazioni numeriche
30
Precipitazione giornaliera [mm]
25
20
15
10
5
0 1/1
15/1
29/1
12/2
26/2
12/3
26/3
9/4
23/4
7/5
21/5
4/6
18/6
2/7
16/7
30/7
13/8
27/8
10/9
24/9
8/10 22/10 5/11 19/11 3/12 17/12 31/12
Tempo [gg/mese]
Figura 6.2 – Serie storica pluviometrica registrata nel 2006 a Modena ed adottata per le simulazioni numeriche
122
6.3 Lo stato attuale della rete Con la prima simulazione, svolta con la serie storica dell’anno 2005 viene determinato l’ammontare degli inquinanti sversati nei corpi idrici ricettori dagli scaricatori di piena, allo scopo di analizzare il comportamento della rete nella situazione attuale. Come descritto nel capitolo precedente gli scaricatori di piena a servizio della rete fognaria che danno luogo a sversamenti in corpo idrico superficiale e quindi analizzati in questo lavoro sono 12; di seguito in tabella 6.2, si riportano le loro caratteristiche principali, suddividendoli per maggior chiarezza, rispetto al ricettore coinvolto. Si ricorda in questa sede, come gia espresso in precedenza, che nell’elenco degli scaricatori che danno luogo a sversamenti direttamente in acque superficiali sia stato compreso anche lo scaricatore SC6 Minutara via Div. Acqui, anche se propriamente questo scaricatore non è da considerarsi come terminale della rete (cioè a valle del reticolo di drenaggio) in quanto, come verrà dimostrato in seguito i volumi e le masse sversate afferiranno più a valle ad altri scaricatori e quindi in parte destinate direttamente alla depurazione. Riferimento Ricettore Cavo Carrobbio/Fiume Secchia
Codice Riferimento Collettore ID SC1 Cavo Carrobbio
H soglia B. soglia [m] [m] 0.2 1.2
Canalazzo di Freto/Fiume Secchia
SC2 Canalazzo di Freto via Barchetta
0.5
3
Cavo Levata/Fiume Panaro
SC3 Cavo Levata
0.5
0.8
Canale Naviglio/Fiume Panaro
SC4 Cavo Soratore SC5 Canale Naviglio
1.01 0.88
5.5 5.5
Canal Nuovo di Albareto/Fiume Panaro
SC12 Canal Nuovo di Albareto
0.1
1.5
Cavo Argine/Fiume Panaro
SC7 Cavo Argine via Nonantolana SC8 Cavo Argine via Portorico
0.6 0.6
9 5
Cavo Minutara/Fiume Panaro
SC6 Cavo Minutara via Div Acqui SC9 Cavo Minutara via Nonantolana
0.5 0.3
5.3 3.5
Fossa Monda/Fiume Panaro
SC10 Fossa Monda via Casette SC11 Cavo Cazzola
0.55 0.4
5 1.5
Tabella 6.2 – Scaricatori che danno luogo a sversamento in corpo idrico superficiale suddivisi per ricettore coinvolto, procedendo da ovest a est 123
6.3.1
I risultati delle simulazioni della serie storica del 2005
Di seguito è riportato un bilancio complessivo dei volumi e degli inquinanti sversati dai singoli scaricatori di piena, secondo gli esiti della simulazione continua condotta per l’anno 2005. Numero Scolmatore Naviglio SC5 Soratore SC4 Minutara v. Div Acqui SC6 Minutara v. Nonantolana SC9 Argine v. Portorico SC8 Monda v. Casette SC10 Argine v. Nonantolana SC7 Albareto SC12 Cazzola SC11 Carrobbio SC1 Freto SC2 Levata SC3
Volume sversato [m3] Volume sversato specifico [m3/ha] 11 899 579.19 10 973 449.52 6 889 366.99 5 755 243.14 2 312 488.62 2 113 250.10 1 963 229.30 1 911 208.89 1 550 152.53 762 988.08 743 565.57 37 955.29 46 912 477.22
2 653.19 2 446.70 1 536.09 1 283.22 515.61 471.18 437.73 426.13 345.63 170.12 165.79 8.46 10 459.86
Tabella 6.3 – Bilancio complessivo dei volumi idrici sversati nel 2005 Numero Scolmatore Naviglio SC5 Soratore SC4 Minutara v. Div Acqui SC6 Minutara v. Nonantolana SC9 Argine v. Portorico SC8 Monda v. Casette SC10 Argine v. Nonantolana SC7 Albareto SC12 Cazzola SC11 Carrobbio SC1 Freto SC2 Levata SC3
Massa SST [kg] 994 606.54 782 995.09 315 073.46 341 865.05 107 817.66 195 956.09 57 902.50 29 073.76 301 447.88 10 844.39 5 709.99 7 007.21 3 150 299.64
Massa SST specifica [kg/ha] 221.76 174.58 70.25 76.22 24.04 43.69 12.91 6.48 67.21 2.42 1.27 1.56 702.41
Tabella 6.4 – Bilancio complessivo delle masse di SST sversate nel 2005
Nella tabella 6.5 successiva si presentano i risultati della simulazione continua che hanno permesso di stilare una graduatoria degli scaricatori, eseguita sulle masse di solidi sospesi totali sversati nell’anno, e quindi l’individuazione degli scaricatori a
124
maggior impatto sui corpi ricettori, a valle dei quali si posizioneranno le vasche di prima pioggia. Definiamo, in merito a quanto detto, “scaricatori a grande impatto” gli scaricatori che generano uno sversamento annuale uguale o superiore al 5% del totale. Numero Scolmatore Naviglio SC5 Soratore SC4 Minutara v. Nonantolana SC9 Minutara v. Div Acqui SC6 Cazzola SC11 Monda v. Casette SC10 Argine v. Portorico SC8 Argine v. Nonantolana SC7 Albareto SC12 Carrobbio SC1 Levata SC3 Freto SC2
Massa SST [kg/anno]
% Massa sversata sul Tot
994 606.5 782 995.1 341 865.1 315 073.5 301 447.9 195 956.1 107 817.7 57 902.5 29 073.8 10 844.4 7 007.2 5 710.0
31.6 24.9 10.9 10.0 9.6 6.2 3.4 1.8 0.9 0.3 0.2 0.2
Tabella 6.5 – Ordine gerarchico degli scaricatori sulla base delle masse di SST sversate nel 2005
Figura 6.3 – Volumi idrici assoluti sversati dagli scaricatori nell’anno 2005
125
Figura 6.4 – Volumi idrici specifici sversati dagli scaricatori nell’anno 2005
Figura 6.5 – Massa assoluta di SST sversata dagli scaricatori nell’anno 2005
126
Figura 6.6 – Massa specifica di SST sversata dagli scaricatori nell’anno 2005
Per poter meglio valutare i risultati degli scaricatori a più grande impatto ed il beneficio apportato dall’inserimento delle vasche di prima pioggia a valle di essi (per i risultati ottenuti a seguito dell’inserimento delle vasche si rimanda al successivo paragrafo 6.4) si riportano gli esiti delle simulazioni riferite a questi scaricatori; è chiaro, infatti, che comprendendo nell’analisi anche gli scaricatori non interessati da vasche, il numero degli sfiori non diminuirebbe. Volume idrico sversato dagli scaricatori a grande impatto [m3] Naviglio SC5 11 899 579.19 Soratore SC4 10 973 449.52 Minutara v. Nonantolana SC9 5 755 243.14 Monda v. Casette SC10 2 113 250.10 Cazzola SC11 1 550 152.53 3 Tot scaricatori principali [m ] 32 291 674 % sul Totale degli scaricatori 69 Massa di SST sversata dagli scaricatori a grande impatto [kg] Naviglio SC5 994 606.54 Soratore SC4 782 995.09 Minutara v. Nonantolana SC9 341 865.05 Monda v. Casette SC10 195 956.09 Cazzola SC11 301 447.88 Tot scaricatori principali [kg] 2 616 871 % sul Totale degli scaricatori 83 Tabella 6.6 – Bilancio dei Volumi e Masse di SST sversati nel 2005 dagli scaricatori a grande impatto
127
Figura 6.7 – Volumi idrici assoluti sversati dagli scaricatori a grande impatto nell’anno 2005
Figura 6.8 – Masse assolute di SST sversate dagli scaricatori a grande impatto nell’anno 2005 128
Per presentare un indicazione immediata che riassuma il risultato ottenuto con la simulazione in continuo della serie pluviometrica registrata nel 2005, si propone di seguito un istogramma che pone in evidenza la graduatoria degli scaricatori in ordine alla massa di Solidi Sospesi Totali sversati durante l’intero anno.
Figura 6.9 – Ordine gerarchico degli scaricatori rispetto alle masse di SST sversate nel 2005
6.3.2
I risultati delle simulazioni della serie storica del 2006
Al fine di descrivere con precisione lo stato attuale della rete fognaria sotto l’aspetto idraulico-quantitativo ed in particolare sotto quello qualitativo, con l’obiettivo di individuare e porre in atto le misure idonee a limitare l’impatto che questa ha sul reticolo idrografico superficiale, col quale inevitabilmente interagisce; non di meno a seguito delle considerazioni fatte precedentemente sulle caratteristiche pluviometriche eccezionali dell’annata 2005, si è scelto di svolgere ulteriori simulazioni in continuo, questa volta utilizzando la serie storica dell’anno 2006. Di seguito si propone un bilancio complessivo dei volumi idrici, delle masse di Solidi Sospesi Totali e delle masse di BOD sversate dagli scaricatori di piena, secondo gli esiti della simulazione continua condotta per il 2006.
129
Numero Scolmatore Naviglio SC5 Soratore SC4 Minutara v. Div Acqui SC6 Minutara v. Nonantolana SC9 Argine v. Portorico SC8 Monda v. Casette SC10 Albareto SC12 Argine v. Nonantolana SC7 Cazzola SC11 Freto SC2 Carrobbio SC1 Levata SC3
Volume sversato [m3] Volume sversato specifico [m3/ha] 6 398 213.35 5 316 840.41 3 702 200.10 3 678 060.19 1 181 298.28 1 133 751.35 1 103 166.92 840 389.85 822 440.40 702 253.08 378 785.46 27 661.15 25 285 060.54
1 426.58 1 185.47 825.46 820.08 263.39 252.79 245.97 187.38 183.38 156.58 84.46 6.17 5 637.69
Tabella 6.7 – Bilancio complessivo dei volumi idrici sversati nel 2006
Numero Scolmatore Naviglio SC5 Soratore SC4 Minutara v. Div Acqui SC6 Minutara v. Nonantolana SC9 Argine v. Portorico SC8 Monda v. Casette SC10 Albareto SC12 Argine v. Nonantolana SC7 Cazzola SC11 Freto SC2 Carrobbio SC1 Levata SC3
Massa SST [kg]
Massa SST specifica [kg/ha]
917 297.41 658 113.24 261 653.18 312 416.02 88 050.08 191 495.30 24 573.61 36 807.28 238 133.50 5 491.81 9 572.39 3 424.59 2 747 028.39
204.53 146.74 58.34 69.66 19.63 42.70 5.48 8.21 53.10 1.22 2.13 0.76 612.49
Tabella 6.8 – Bilancio complessivo delle masse di SST sversate nel 2006
Nella tabella successiva si presenta la scala gerarchica degli scaricatori di piena, stilata rispetto alle masse di solidi sospesi totali sversate nel 2006, con l’obiettivo di individuare gli scaricatori che provocano annualmente i maggiori quantitativi di masse sversate, definiti appunto scaricatori a grande impatto (quelli che sversano annualmente un quantitativo di SST uguale o superiore in percentuale al 5% del totale).
130
Numero Scolmatore Naviglio SC5 Soratore SC4 Minutara v. Nonantolana SC9 Minutara v. Div Acqui SC6 Cazzola SC11 Monda v. Casette SC10 Argine v. Portorico SC8 Argine v. Nonantolana SC7 Albareto SC12 Carrobbio SC1 Freto SC2 Levata SC3
Massa SST [kg/anno]
% Massa sversata sul Tot
917 297.4 658 113.2 312 416.0 261 653.2 238 133.5 191 495.3 88 050.1 36 807.3 24 573.6 9 572.4 5 491.8 3 424.6
33.4 24.0 11.4 9.5 8.7 7.0 3.2 1.3 0.9 0.3 0.2 0.1
Tabella 6.9 – Ordine gerarchico degli scaricatori sulla base delle masse di SST sversate nel 2006
Poste le considerazioni trattate in precedenza in merito alla serie storica del 2006, si è ritenuto opportuno svolgere analisi puntuali sul comportamento dei singoli scaricatori di piena, simulato dal modello numerico implementato. Si fa riferimento in particolare all’analisi eseguita per ciascun scolmatore, abbinando la valutazione sui volumi e masse sversate complessivamente, a quelle sugli sversamenti provocati da ciascun evento pluviometrico occorso nel 2006. Viene proposta inoltre un ulteriore analisi sulle masse di BOD sversate dagli scaricatori a grande impatto individuati, al fine di conseguire una rappresentazione di massimo dettaglio, per ciò che attiene gli aspetti legati alla qualità dei deflussi manifestatisi nel 2006. Di seguito vengono proposti gli esiti di tali analisi attraverso grafici che ne sintetizzano lo specifico comportamento.
131
Figura 6.10 – Volumi idrici assoluti sversati dagli scaricatori nell’anno 2006
Figura 6.11 – Volumi idrici specifici sversati dagli scaricatori nell’anno 2006
132
Figura 6.12 – Massa assoluta di SST sversata dagli scaricatori nell’anno 2006
Figura 6.13 – Masse specifiche di SST sversate dagli scaricatori nell’anno 2006
133
Ritenendo l’anno 2006 da un punto di vista pluviometrico più rappresentativo dei fenomeni metereologici propri del territorio modenese e per questo più idoneo ad essere utilizzato a scopi previsionali, si è effettuato il dimensionamento delle vasche di prima pioggia a servizio degli scaricatori della rete e la conseguente valutazione dei benefici da queste addotti, sulla base di questa serie storica. A seguito di quanto appena affermato, per poter meglio valutare i risultati degli scaricatori a più grande impatto ed il beneficio apportato dall’inserimento delle vasche di prima pioggia a valle di essi, si riportano gli esiti delle simulazioni riferite a questi scaricatori. Volume idrico sversato dagli scaricatori a grande impatto [m3] Naviglio SC5 6 398 213.35 Soratore SC4 5 316 840.41 Minutara v. Nonantolana SC9 3 678 060.19 Monda v. Casette SC10 1 133 751.35 Cazzola SC11 822 440.40 3 Tot scaricatori principali [m ] 17 349 306 % sul Totale degli scaricatori 69 Massa di SST sversata dagli scaricatori a grande impatto [kg] Naviglio SC5 917 297.4 Soratore SC4 658 113.2 Minutara v. Nonantolana SC9 312 416.0 Cazzola SC11 238 133.5 Monda v. Casette SC10 191 495.3 Tot scaricatori principali [kg] 2 317 455 % sul Totale degli scaricatori 84 Massa di BOD sversata dagli scaricatori a grande impatto [kg] Naviglio SC5 97 727.7 Soratore SC4 60 799.4 Minutara v. Nonantolana SC9 41 008.9 Cazzola SC11 21 241.8 Monda v. Casette SC10 16 466.3 Tot scaricatori principali [kg] 237 244 % sul Totale degli scaricatori 82
Tabella 6.10 – Bilancio dei Volumi idrici, Masse di SST e di BOD sversati nel 2006 dagli scaricatori a grande impatto
Di seguito vengono presentati graficamente attraverso il confronto fra il dato cumulato ed il dato riferito al singolo evento pluviometrico, prima i volumi idrici sversati dall’insieme degli scaricatori a grande impatto e poi, in sequenza, il dato riferito a ciascuno di essi, a valle dei quali verranno posizionate le vasche.
134
Totalità degli scaricatori a grande impatto:
Figura 6.14 – Volumi idrici assoluti sversati dagli scaricatori a grande impatto nell’anno 2006 Scaricatore SC5 - Naviglio:
Figura 6.15 – Volumi idrici assoluti sversati dallo scaricatore a grande impatto SC5 – Naviglio nell’anno 2006
135
Scaricatore SC4 - Soratore:
Figura 6.16 – Volumi idrici assoluti sversati dallo scaricatore a grande impatto SC4 – Soratore nell’anno 2006 Scaricatore SC9 – Minutara v. Nonantolana:
Figura 6.17 – Volumi idrici assoluti sversati dallo scaricatore a grande impatto SC9 – Minutara v. Nonantolana nell’anno 2006
136
Scaricatore SC11 – Cazzola:
Figura 6.18 – Volumi idrici assoluti sversati dallo scaricatore a grande impatto SC11 – Cavo Cazzola nell’anno 2006 Scaricatore SC10 – Monda v. Casette:
Figura 6.19 – Volumi idrici assoluti sversati dallo scaricatore a grande impatto SC10 – Monda v. Casette nell’anno 2006 137
Dall’analisi di dettaglio eseguita sui singoli scaricatori di piena, in particolare in merito ai volumi idrici sversati, è stato riscontrato un risultato particolarmente interessante che testimonia da un lato la maggior efficienza di un modello numerico rispetto ai metodi classici dell’idraulica, nel rappresentare il reale comportamento idraulico-qualitativo della rete ed in particolare dei manufatti a servizio di questa e dall’altro ribadisce la maggior efficacia di simulazioni in continuo rispetto a simulazioni di eventi singoli, al fine di ottenere una più fedele rappresentazione dei fenomeni che coninvolgono la rete fognaria ed il reticolo idrico superficiale con cui è in relazione. Quanto detto ha avuto dimostrazione dalle simulazioni svolte prima su eventi singoli utilizzati in fase di calibrazione, verifica ed eventi di progetto e successivamente dalle simulazioni in continuo per gli anni 2005 e 2006. Prendendo a riferimento le sezioni dei canali Naviglio e Soratore immediatamente a monte degli scolmatori, nelle simulazioni di eventi singoli si nota come la portata in arrivo sia maggiore nel Soratore rispetto al Naviglio e come gli sversamenti attraverso gli scaricatori siano proporzionali alle portate in arrivo a monte degli stessi; ma se si considerano le simulazioni svolte con le serie pluviometriche annuali, il bilancio dei volumi sversati complessivi cambia a favore del Naviglio, che effettivamente ha uno sfioratore la cui soglia è inferiore rispetto a quella del Soratore di 13 cm, sufficienti a dare luogo nell’arco dell’anno a sversamenti quantitativamente maggiori e più frequenti. La maggior incidenza annua circa gli sversamenti del Naviglio rispetto a quelli del Soratore è risultata rilevabile solamente grazie all’implementazione di un modello numerico che non solo fosse in grado di simulare in moto vario la rete fognaria insieme anche ai manufatti al suo servizio ma che potesse anche essere applicato a serie storiche pluviometriche, tali da permettere simulazioni in continuo, così da considerare globalmente il comportamento della rete. Una volta definiti con precisione i volumi idrici sversati, la stessa metodologia di analisi è stata applicata agli scaricatori a grande impatto per valutare le masse di Solidi Sospesi Totali. Di seguito vengono presentati graficamente, attraverso il confronto fra il dato cumulato ed il dato riferito al singolo evento pluviometrico, prima le masse di SST sversate dall’insieme degli scaricatori a grande impatto e poi, in sequenza, quelle versate da ciascun scaricatore definito: a grande impatto, a valle dei quali verranno posizionate le vasche.
138
Totalità degli scaricatori a grande impatto:
Figura 6.20 – Masse di SST assolute sversate dallo scaricatore a grande impatto SC5 – Naviglio nell’anno 2006 Scaricatore SC5 - Naviglio:
Figura 6.21 – Masse di SST assolute sversate dallo scaricatore a grande impatto SC5 – Naviglio nell’anno 2006 139
Scaricatore SC4 - Soratore:
Figura 6.22 – Masse di SST assolute sversate dallo scaricatore a grande impatto SC4 – Soratore nell’anno 2006 Scaricatore SC9 – Minutara v. Nonantolana:
Figura 6.23 – Masse di SST assolute sversate dallo scaricatore a grande impatto SC9 – Minutara v. Nonatolana nell’anno 2006
140
Scaricatore SC11 – Cazzola:
Figura 6.24 – Masse di SST assolute sversate dallo scaricatore a grande impatto SC11 – Cavo Cazzola nell’anno 2006 Scaricatore SC10 – Monda v. Casette:
Figura 6.25 – Masse di SST assolute sversate dallo scaricatore a grande impatto SC10 – Monda v. C nell’anno 2006
141
Figura 6.26 – Ordine gerarchico degli scaricatori, rispetto alle masse di SST sversate nel 2006
6.3.3
Quadro riassuntivo delle analisi circa lo stato attuale della rete
Di seguito si presenta in forma aggregata un riassunto per le annate 2005 e 2006 degli sversamenti di Solidi Sospesi Totali attraverso gli scaricatori, parametro in base al quale verrà eseguito il dimensionamento delle vasche di prima pioggia. 2005-2006 Numero Scolmatore
Massa SST [kg/anno]
Naviglio SC5 Soratore SC4 Minutara v. Nonantolana SC9 Minutara v. Div Acqui SC6 Cazzola SC11 Monda v. Casette SC10 Argine v. Portorico SC8 Argine v. Nonantolana SC7 Albareto SC12 Carrobbio SC1 Freto SC2 Levata SC3
1 911 903.95 1 441 108.33 654 281.07 576 726.64 539 581.38 387 451.39 195 867.73 94 709.78 53 647.38 20 416.78 11 201.80 10 431.80
% Massa sversata 32.42 24.44 11.09 9.78 9.15 6.57 3.32 1.61 0.91 0.35 0.19 0.18
Tabella 6.11 – Ordine gerarchico degli scaricatori di piena ottenuto sulla base delle masse di SST sversate negli anni 2005 e 2006
142
6.4 Dimensionamento ed analisi dell’efficacia di vasche di prima pioggia Dopo aver quantificato l’impatto esercitato dagli scaricatori di piena della rete attuale sui ricettori, si è voluto stimare il beneficio generato dall’utilizzo di vasche di “prima pioggia” calcolando la riduzione degli sversamenti di inquinanti nei corpi idrici ricettori da parte degli scaricatori di piena; al fine di assolvere gli obblighi imposti dalla recente deliberazione della giunta regionale n. 286 del 14/02/2005, che prevede una riduzione del carico sversato in corpo idrico superficiale pari al 25% entro il 2008 e al 50% entro il 2016. Per queste analisi è stata impiegata, come detto, la serie storica relativa all’anno 2006 e si è previsto che le vasche, aventi differente volume specifico (15 e 25 m3/ha) vengano inserite all’interno della rete mediante uno schema “fuori linea”. Il dimensionamento delle vasche di “prima pioggia” è stato realizzato solo in parte con il metodo classico basato sulle superfici efficaci, in cui si prevede che il volume degli invasi si calcoli moltiplicando le rispettive superfici drenanti afferenti per un valore di capacità (volume specifico) espresso in m3/ha. Per ottenere un dimensionamento più idoneo delle vasche si è dunque preferito considerare il bacino nella sua interezza. Il metodo classico è stato applicato all’intero bacino ottenendo, dalla superficie afferente alla rete urbana stimata in circa 6900 [ha], la superficie drenante, o efficace, tramite il prodotto tra la superficie totale stessa del bacino e il coefficiente d’afflusso medio pesato φ:
ϕeq =
ϕimp ⋅ Aimp + ϕ perm ⋅ Aperm Atot
dove: φimp = 0,9 φperm = 0,1 Calcolato quindi il volume totale da assegnare alle vasche come prodotto tra la superficie efficace totale ottenuta (ha) ed il volume specifico scelto per le vasche [m3/ha], lo stesso volume totale è stato ripartito fra gli scaricatori sulla base di coefficienti calcolati semplicemente come rapporto rj tra le masse di solidi sospesi sversate da ciascuno di essi nell’anno e la massa totale di solidi sversati annualmente dall’insieme di tutti gli scaricatori.
143
Di seguito, viene riportata sinteticamente la procedura di calcolo adottata: •
Calcolo della superficie efficace totale Seff pari a circa 4485 [ha]
•
Determinazione del volume complessivo delle vasche Vtot moltiplicando la superficie efficace per la prestabilita capacità specifica Vs (15 e 25 m3/ha) Vtot = Seff ⋅ Vs
•
Calcolo del coefficiente di ripartizione rj per ciascun scaricatore sulla base delle masse di solidi sospesi sversati, riferite alla simulazione dello stato attuale della rete:
rj =
Mj M tot
dove: Mj è la massa sversata annualmente dallo scaricatore j-esimo; Mtot è la massa sversata dall’intera rete nello stesso arco temporale; •
Ripartizione del volume totale fra gli scaricatori, secondo i coefficienti calcolati: V j = Vtot ⋅ rj
•
Calcolo del volume delle vasche applicate agli scaricatori a più grande impatto (così definiti quelli che sversano annualmente un quantitativo di Solidi Sospesi Totali uguale o superiore in percentuale al 5% del totale) sommando i volumi Vj assegnati ai singoli scaricatori in funzione degli accoppiamenti stabiliti
144
Nella tabella 6.12, successiva, vengono presentati i risultati della procedura atta a determinare i coefficienti di ripartizione rj per ciascun scaricatore. Numero Scolmatore Naviglio SC5 Soratore SC4 Minutara v. Nonantolana SC9 Minutara v. Div Acqui SC6 Cazzola SC11 Monda v. Casette SC10 Argine v. Portorico SC8 Argine v. Nonantolana SC7 Albareto SC12 Carrobbio SC1 Freto SC2 Levata SC3
Massa SST [kg/anno] % Massa sversata 917 297.41 33.4 658 113.24 24.0 312 416.02 11.4 261 653.18 9.5 238 133.50 8.7 191 495.30 7.0 88 050.08 3.2 36 807.28 1.3 24 573.61 0.9 9 572.39 0.3 5 491.81 0.2 3 424.59 0.1
Coeff di ripartizione: rj 0.333924 0.239573 0.113729 0.095250 0.086688 0.069710 0.032053 0.013399 0.008946 0.003485 0.001999 0.001247
Tabella 6.12 – Definizione del coefficiente di ripartizione rj per ciascun scaricatore sulla base delle masse di SST sversate allo stato attuale della rete
Il risultato del processo di dimensionamento ha portato all’inserimento di 4 vasche a valle dei soli scaricatori a grande impatto (5 scaricatori su 12 totali) secondo gli esiti delle simulazioni in continuo per l’anno 2006. In tal modo, considerando ad esempio un Volume Specifico pari a 15 [m3/ha], si è ottenuto un volume totale delle vasche pari a circa 56750 m3 La scelta di porre 4 vasche di prima pioggia a valle dei 5 scaricatori a più grande impatto deriva dall’opportunità di eseguire un accoppiamento degli scaricatori SC4 e SC5 presenti rispettivamente sul Cavo Soratore e sul Canale Naviglio offerta dalla loro pozione estremamente ravvicinata. La soluzione inoltre di posizionare le altre vasche a valle degli scaricatori di seguito elencati, consente, come vedremo di conseguire l’obiettivo posto dai vincoli normativi ed al contempo di predisporre volumi di invaso relativamente contenuti.
145
6.4.1
Risultati delle simulazioni con vasche da 15 [m3/ha]
Viene proposta di seguito una tabella riassuntiva dei volumi propri delle vasche di prima pioggia predisposte, adottando come volume specifico 15 m3/ha; insieme a tale indicazione si propone una stima dei costi di realizzazione di tali invasi, avendo considerato attendibile un costo medio pari a circa 150 euro/m3. Volume vasca [m3] 38 582 7 651 5 832 4 690
Numero vasca Naviglio-Soratore V1 Minutara v. Nonantolana V2 Cazzola V3 Monda v. Casette V4 Tot
Costo vasche [150 euro/m3] 5 787 295 1 147 665 874 787 703 461 Tot
56 755
8 513 207
Tabella 6.13 – Dimensionamento dei volumi delle vasche di prima pioggia adottate, considerando un volume specifico da 15 [m3/ha]
Nella tabella successiva si presentano gli esiti delle simulazioni svolte con le vasche da 15 [m3/ha] riferiti al complesso degli scaricatori presenti nella rete, dalla quale risulta chiaro come il beneficio ottenuto in termini di abbattimento dei carichi sia dell’ordine del 30,5 %. Parametro Assoluto [m3] Volume senza vasche 25 285 060.54 Massa SST Assoluta [kg] senza vasche 2 747 028.39
Sversamenti attraverso tutti gli scaricatori della rete Specifico [m3/ha] Assoluto [m3] Specifico [m3/ha] Abbattimento senza vasche con vasca 15 con vasca 15 complessivo % 5 637.69
22 998 177.03
5 127.80
9.04
Specifica [kg/ha] senza vasche
Assoluta [kg] con vasca 15
Specifica [kg/ha] con vasca 15
Abbattimento complessivo %
612.49
1 907 230.42
425.25
30.57
Tabella 6.14 – Beneficio complessivo apportato dalle vasche da 15 m3/ha
146
Vengono presentati di seguito i risultati ottenuti riferiti solamente ai singoli scaricatori confluenti in vasche per i quali si riporta anche il valore delle masse di BOD versate, nell’intento di dettagliare al meglio la valutazione dei carichi sversati nella seguente configurazione della rete.
Numero Vasca Naviglio-Soratore V1 Minutara v. Nonantolana V2 Monda v. Casette V4 Cazzola V3 Tot.
Volumi assoluti sversati [m3] 9 878 890.74 3 675 051.09 932 443.85 576 036.51 15 062 422.19
Volumi specifici sversati [m3/ha] 2 202.65 819.41 207.90 128.44 3 358.40
Numero Vasca Massa assoluta SST sversata [kg] Massa specifica SST sversata [kg/ha] 1 039 851.03 231.85 Naviglio-Soratore V1 260 566.38 58.10 Minutara v. Nonantolana V2 100 300.42 22.36 Cazzola V3 76 864.66 17.14 Monda v. Casette V4 1 477 657.48 329.47 Tot. Numero Vasca Massa assoluta BOD sversata [kg] Massa specifica BOD sversata [kg/ha] 96 628.65 21.54 Naviglio-Soratore V1 39 953.35 8.91 Minutara v. Nonantolana V2 8 630.64 1.92 Cazzola V3 7 133.64 1.59 Monda v. Casette V4 152 346.28 33.97 Tot.
Tabella 6.15 – Sversamenti attraverso gli scaricatori confluenti in vasche da 15 m3/ha
Si riportano graficamente, di seguito, i risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche riferiti all’insieme degli scaricatori confluenti in vasche, per meglio valutare il beneficio ambientale indotto da queste, in particolar modo per quanto concerne la riduzione del numero degli eventi che producono scarichi nell’anno.
147
Figura 6.27 – Volumi assoluti sversati dagli scaricatori con vasche da 15 m3/ha
Figura 6.28 – Masse di Solidi Sospesi Totali assolute sversate dagli scaricatori con vasche da 15 m3/ha 148
6.4.2
Risultati delle simulazioni con vasche da 25 [m3/ha]
Il dimensionamento delle vasche da 25 m3/ha ha seguito la stessa procedura metodologica di quello svolto per le vasche da 15 m3/ha, il volume complessivo delle vasche predisposte è 94590 m3. Nella tabella successiva si riassumono i volumi propri di ciascuna vasca predisposta; ed insieme si propone una stima dei costi di realizzazione di tali invasi, avendo considerato attendibile un costo medio pari a circa 150 euro/m3. Volume vasca [m3] 64 303 12 751 9 720 7 816
Numero vasca Naviglio-Soratore V1 Minutara v. Nonantolana V2 Cazzola V3 Monda v. Casette V4 Tot
Costo vasche [150 euro/m3] 9 645 491 1 912 775 1 475 978 1 172 435 Tot
94 591
14 188 679
Tabella 6.16 – Dimensionamento dei volumi delle vasche di prima pioggia adottate, considerando un volume specifico da 25 [m3/ha]
Si riportano di seguito gli esiti delle simulazioni svolte con le vasche da 25 [m3/ha] riferiti al complesso degli scaricatori presenti nella rete, dalla quale risulta chiaro come il beneficio ottenuto in termini di abbattimento dei carichi sia dell’ordine del 51 %. Parametro Assoluto [m3] Volume senza vasche 25 285 060.54 Massa SST Assoluta [kg] senza vasche 2 747 028.39
Sversamenti attraverso tutti gli scaricatori della rete Specifico [m3/ha] Assoluto [m3] Specifico [m3/ha] Abbattimento senza vasche con vasca 25 con vasca 25 complessivo % 5 637.69
20 897 394.62
4 659.4
17.35
Specifica [kg/ha] senza vasche
Assoluta [kg] con vasca 25
Specifica [kg/ha] con vasca 25
Abbattimento complessivo %
612.49
1 336 876.48
298.1
51.33
Tabella 6.17 – Beneficio complessivo apportato dalle vasche da 25 m3/ha
149
Vengono presentati di seguito i risultati ottenuti riferiti solamente ai singoli scaricatori confluenti in vasche per i quali si riporta anche il valore delle masse di BOD versate, nell’intento di dettagliare al meglio la valutazione dei carichi sversati nella seguente configurazione della rete.
Numero Vasca Naviglio-Soratore V1 Minutara v. Nonantolana V2 Monda v. Casette V4 Cazzola V3 Tot.
Volumi assoluti sversati [m3] 7 937 789.68 3 767 129.94 803 465.76 453 254.40 12 961 639.78
Volumi specifici sversati [m3/ha] 1 769.85 839.94 179.15 179.15 2 968.08
Numero Vasca Massa assoluta SST sversata [kg] Massa specifica SST sversata [kg/ha] 557 353.60 124.27 Naviglio-Soratore V1 238 525.46 53.18 Minutara v. Nonantolana V2 73 116.95 16.30 Cazzola V3 38 307.53 8.54 Monda v. Casette V4 907 303.55 202.30 Tot. Numero Vasca Massa assoluta BOD sversata [kg] Massa specifica BOD sversata [kg/ha] 54 117.30 12.07 Naviglio-Soratore V1 45 974.13 10.25 Minutara v. Nonantolana V2 5 938.43 1.32 Cazzola V3 4 117.45 0.92 Monda v. Casette V4 110 147.30 24.56 Tot.
Tabella 6.18 – Sversamenti attraverso gli scaricatori confluenti in vasche da 25 m3/ha
Si riportano graficamente, di seguito, i risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche riferiti all’insieme degli scaricatori confluenti in vasche, per meglio valutare il beneficio ambientale indotto da queste, in particolar modo per quanto concerne la riduzione del numero degli eventi che producono scarichi nell’anno.
150
Figura 6.29 – Volumi assoluti sversati dagli scaricatori con vasche da 25 m3/ha
Figura 6.30 – Masse di Solidi Sospesi Totali assolute sversate dagli scaricatori con vasche da 25 m3/ha 151
6.4.3
Quadro riassuntivo dei risultati delle simulazioni
In questo paragrafo si presentano graficamente i risultati conseguiti nelle diverse simulazioni in continuo sulla base della serie storica degli eventi pluviometrici registrati nel 2006; in particolare si intende, di seguito, proporre il confronto con i risultati ottenuti per la rete fognaria allo stato attuale. Si pone in evidenza come, sia per i volumi che per le masse di solidi sospesi si mostrino i confronti fra le diverse configurazioni esaminate, sia riferite alla totalità del bacino afferente che riferite alla porzione efficace di questo.
Figura 6.31 – Rappresentazione dei volumi assoluti sversati nel 2006, attraverso gli scaricatori di piena, ottenuti dalla simulazione della rete fognaria nelle diverse configurazioni analizzate
152
Figura 6.32 – Rappresentazione dei volumi specifici per unità di superficie efficace sversati nel 2006, attraverso gli scaricatori di piena, ottenuti dalla simulazione della rete fognaria nelle diverse configurazioni analizzate
Figura 6.33 – Rappresentazione delle masse di Solidi Sospesi Totali assolute sversate nel 2006, attraverso gli scaricatori di piena, ottenuti dalla simulazione della rete fognaria nelle diverse configurazioni analizzate
153
Figura 6.34 – Rappresentazione delle Masse di Solidi Sospesi Totali per unità di superficie efficace sversate nel 2006, attraverso gli scaricatori di piena, ottenuti dalla simulazione della rete fognaria nelle diverse configurazioni analizzate
6.5 Abbattimento dei tassi di accumulo Nell’ottica di verificare il beneficio apportato, in termini di riduzione dei carichi sversati nei ricettori, da un adeguato programma di operazioni di pulizia in tempo secco, effettuate con mezzi adeguati, è stata eseguita una simulazione in continuo sulla rete nella sua configurazione attuale, cioè in assenza di vasche, considerando dei tassi di accumulo superficiale abbattuti del 30 % ciascuno. Tale soluzione simulata equivale infatti ad ipotizzare uno scenario in cui la pulizia sistematica delle strade, da parte degli operatori pubblici, porti ad una sensibile diminuzione dei solidi presenti sulla superficie del bacino. Nella tabella di seguito riportata, viene proposta dapprima una quantificazione globale del beneficio apportato dalla soluzione gestionale ipotizzata e successivamente si valuta graficamente il confronto fra la situazione originaria e quella ipotizzata in riferimento a ciascun scaricatore della rete. Si può notare come a fronte di una diminuzione dei tassi di accumulo del 30%, l’abbattimento delle masse di SST sversate sia inferiore al 20%
154
SST Assoluti [kg] 2 747 028
Tassi originali SST Specifici [kg/ha] 612.4
SST Assoluti [kg] 2 216 263
Tassi Abbattuti SST Specifici [kg/ha] 494.1
Tabella 6.19 – Confronto complessivo fra i risultati ottenuti con tassi originali e tassi abbattuti
Figura 6.35 – Confronto fra i risultati ottenuti dalla simulazione con tassi di accumulo originari e con tassi abbattuti
Numero Scolmatore Soratore SC4 Carrobbio SC1 Cazzola SC11 Albareto SC12 Argine v. Portorico SC8 Naviglio SC5 Minutara v. Nonantolana SC9 Argine v. Nonantolana SC7 Monda v. Casette SC10 Minutara v. Div Acqui SC6 Freto SC2 Levata SC3 Riduzione media Tot.
Riduz. sversam. Massa SST [%] 26.2 26.1 21.1 20.3 19.6 17.2 17.1 15.5 15.0 14.2 12.0 7.1 19
Tabella 6.20 – Riduzioni percentuali stimate per ogni scaricatore 155
156
Capitolo 7. Analisi delle criticità idrauliche della rete
7.1 Criticità idrauliche della rete Dal punto di vista idraulico, la valutazione delle criticità della rete è stata condotta effettuando simulazioni con eventi di pioggia sintetici, utilizzando ietogrammi di tipo Chicago. Lo ietogramma Chicago risulta essere sicuramente uno dei più noti e dei più utilizzati perchè rappresenta la pioggia critica per tutte le durate, nel senso che a tutte le durate corrisponde la stessa probabilità cumulata P(hδ). Questo aspetto consente di procedere al dimensionamento di tutte le sezioni del bacino utilizzando un solo ietogramma di progetto. Nella realtà un evento pluviometrico che è critico per una durata δ non è necessariamente critico per le altre durate, per questo l’altezza complessiva dello ietogramma Chicago è superiore a quella di ciascuno degli eventi reali che risultano critici per le diverse durate. Questo aspetto provoca, nei casi dove oltre all’intensità di pioggia sono da considerare anche i volumi, come può succedere nello studio delle vasche di laminazione delle piene, situazioni più gravose di quelle che in genere si verificano nella realtà. Ai fini della trasformazione afflussi – deflussi, allo ietogramma Chicago corrisponde, quindi, un tempo di ritorno maggiore di quello nominale della relazione altezza – durata da cui è stato ricavato. Il Chicago è caratterizzato da un picco di intensità massima imax e da una intensità media uguale a quella definita dalla curva di possibilità pluviometrica; se la curva è espressa con la consueta formula monomia a due parametri, l’intensità i(t) e l’altezza di pioggia h(t) dello ietogramma sono date dalle seguenti equazioni:
Nella sua forma generale, lo ietogramma Chicago ha il picco ad un generico tempo tr inferiore alla durata complessiva tc, si ponga: r=
tr tc
157
per t ≤ tr ⎛ t −t ⎞ i (t ) = n ⋅ a ⎜ r ⎟ ⎝ r ⎠
n −1
⎡⎛ t r ⎞ n ⎛ t r − t ⎞ n ⎤ h(t ) = a ⋅ r ⋅ ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎣⎢⎝ r ⎠ ⎝ r ⎠ ⎦⎥ per t ≥ tr ⎛ t − tr ⎞ i (t ) = n ⋅ a ⎜ ⎟ ⎝ 1− r ⎠
n −1
n ⎡ ⎛ t ⎞n ⎛ t −t r ⎞ ⎤ h(t ) = a ⋅ ⎢ r ⋅ ⎜ r ⎟ + (1 − r ) ⋅ ⎜ ⎟ ⎥ ⎝ 1 − r ⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ ⎝ r ⎠
Per r = 0 si ha il cosiddetto ietogramma anticipato, cioè con picco di intensità all’inizio dell’evento. Per r = 1 si ha invece lo ietogramma ritardato, col picco alla fine. Infine con r = 0,5 si ha lo ietogramma centrato, simmetrico cioè col picco d’intensità esattamente a metà della durata totale. Una caratteristica importante dello ietogramma Chicago è quella di essere poco sensibile alla durata complessiva tc dell’evento, infatti l’aumento di quest’ultima non influisce sulla parte centrale dello ietogramma, quella attorno al picco che rimane immutata, ma solo sull’allungamento delle due code estreme prima e dopo il picco. Ciò significa che uno ietogramma Chicago di durata generica tc contiene in sé anche gli ietogrammi di durata inferiore, è quindi sufficiente considerare una durata superiore al tempo di corrivazione del bacino per tenere conto delle diverse durate significative per tutti i suoi sottobacini. Nello studio della rete sono stati utilizzati ietogrammi con tempo di ritorno pari a 5 e 10 anni, ottenuti con parametri a ed n relativi alla città di Modena e considerando una durata dell’evento pari al tempo di corrivazione del bacino, stimato in circa 3 ore e 30 minuti. Utilizzando quindi un Chicago centrato, cioè con r = 0,5 si è arrivati a definire i seguenti ietogrammi:
158
Figura 7.1 – Ietogramma Chicago centrato per TR = 2 anni
Figura 7.2 – Ietogramma Chicago centrato per TR = 5 anni 159
7.2 Stima del tempo di corrivazione Il tempo di corrivazione è definito come il tempo necessario affinché l’acqua piovana caduta nel punto idraulicamente più lontano del bacino raggiunga la sezione di chiusura dello stesso. Per effettuare una stima dello stesso si realizzano simulazioni con ietogrammi rettangolari e si calcola il tempo intercorso tra l’inizio dell’evento meteorico e l’istante in cui si è formata circa il 90-95 % della portata nella sezione di chiusura, ossia nel nostro caso, all’intersezione fra il cavo Soratore ed il canale Naviglio. Sono stati utilizzati a questo scopo quattro ietogrammi, di intensità rispettivamente 5, 10, 15 e 20 [mm/h] e durata 600 minuti; valutando poi, come detto, il riempimento dei collettori Naviglio e Soratore immediatamente a monte dei loro scaricatori, così da ottenere con buona approssimazione una stima del tempo di corrivazione dell’intero bacino urbano. Il tempo di corrivazione è funzione anche dell’intensità di pioggia, infatti cala all’aumentare della stessa, come è possibile vedere dai grafici di seguito riportati.
Figura 7.3 – Portate nella sezione di chiusura sul canale Naviglio
160
Figura 7.4 – Portate nella sezione di chiusura sul cavo Soratore
Pare quindi ragionevole porre il tempo di corrivazione del bacino circa uguale a tre ore e trenta minuti, questa sarà anche la durata degli ietogrammi Chicago adottati.
7.3 Risultati delle simulazioni L’analisi idraulica è stata condotta prendendo in esame il parametro “surcharge ratio”, definito come rapporto tra l’altezza della piezometrica sul fondo del condotto e l’altezza del condotto stesso; in condizioni di funzionamento a gravità corrisponde quindi al livello di riempimento. Un condotto entra in pressione quando il surcarge ratio assume valore uguale o superiore ad uno, situazione che viene mostrata nelle immagini seguenti dalla colorazione rossa dei condotti. I motivi per cui un condotto entra in pressione possono essere due: una insufficienza dimensionale o un rigurgito da valle, da parte di condotti a loro volta in pressione. Questa distinzione è fondamentale perchè, nell’analizzare una rete, interessa individuare le vere e proprie criticità idrauliche della stessa, ossia quei condotti il cui dimensionamento è inadeguato. A seguito delle analisi svolte per determinare le criticità idrauliche della rete si evidenziano di seguito, le zone che si sono rivelate più critiche. 161
Zona quartiere Sacca
Figura 7.5 – Criticità idrauliche del quartiere Sacca
Si nota come l’area urbana circostante via Bertoni sia da considerare critica, in quanto la dorsale atta a ricevere le portate meteoriche derivanti dal drenaggio del quartiere, risulta rigurgitata da valle, da parte del cavo Soratore che, in occasione di eventi meteorici intensi, manifesta un funzionamento in pressione. Un’ulteriore considerazione può essere proposta in merito all’altimetria dell’area, il livello di massima piena del cavo Soratore, infatti, risulta superiore di circa 10 cm rispetto alla quota del piano stradale di via Bertoni; la soluzione per risolvere tale situazione di sofferenza idraulica può dunque essere la disconnessione della rete di drenaggio del quartiere dal cavo Soratore, in occasione di eventi particolarmente intensi. Villaggio Artigiano Modena Est
Figura 7.6 – Criticità idrauliche del quartiere Villaggio Artigiano Modena Est
162
Critico risulta essere inoltre il quartiere denominato Villaggio Artigiano Modena Est, in quanto la dorsale atta a ricevere le portate meteoriche derivanti dal drenaggio della zona risulta essere sottodimensionata; in particolare si nota la presenza di un evidente restringimento di sezione in corrispondenza del manufatto di attraversamento della linea ferroviaria Milano-Bologna posta a nord dell’area. Tale collo di bottiglia esercita una forte limitazione al deflusso delle portate afferenti in quella sezione, causando il rigurgito dell’intera rete di monte. Villaggio Artigiano Modena Ovest
Figura 7.7 – Criticità idrauliche della zona artigianale Modena Ovest
Un’ulteriore zona della città risultata particolarmente critica dal punto di vista idraulico è quella denominata Villaggio Artigiano Modena Ovest, che sviluppatosi agli inizi del secondo dopo guerra con esigenze insediative oggi fortemente modificate, mantiene immutate rispetto ad allora le caratteristiche dimensionali proprie della rete di drenaggio, che risulta pertanto sottodimensionata. In aggiunta a quanto detto, si fa notare come il funzionamento in pressione del collettore posto a nord dell’area, denominato canal Bianco, a cui afferisce la rete di drenaggio, ne determini in condizioni di piogge intense il rigurgito da valle.
163
Zona di via Wiligelmo e via Sassi
Figura 7.8 – Criticità idrauliche della zona di via Wiligelmo e via Sassi
Analoghe considerazioni in merito alle criticità idrauliche del territorio urbano, possono essere presentate circa la situazione delle aree circostanti le vie Wiligelmo e Sassi; rispettivamente afferenti nel canale Modenella e nella Trombina Assalini tributaria della Fossa Paduli. Si fa notare la presenza di collettori rigurgitati da valle, in quanto il sistema a cui afferisce l’area in oggetto, risalente al XVII secolo, presenta caratteristiche dimensionali insufficienti a garantire il drenaggio dei nuovi insediamenti residenziali sorti a partire dagli anni ’50.
164
Conclusioni
Lo studio quali-quantitativo della rete di drenaggio della città di Modena, ne ha messo in luce le criticità idrauliche ed ambientali. Dal punto di vista idraulico, le simulazioni con gli ietogrammi di eventi sintetici (di tipo Chicago centrato) hanno permesso di individuare quelle zone in cui la risposta della rete a sollecitazioni meteoriche intense è inefficace, identificando i condotti che entrano in pressione. In particolare, però interessa stabilire quali, tra di essi, siano in pressione per motivi di sotto-dimensionamento e quali, invece, si trovino in tale situazione perchè rigurgitati da valle; ciò è importante soprattutto ai fini di una eventuale sistemazione futura della rete fognaria. In merito al problema ambientale, lo studio svolto ha avuto come primo obiettivo conoscere gli ordini di grandezza degli sversamenti di inquinanti, per poter valutare l’impatto che gli scarichi di piena hanno sui corpi idrici ricettori in occasione degli eventi pluviometrici. Valutati questi, lo scopo prefissato è stato quello di verificare l’efficacia di opere quali le vasche di prima pioggia nelle mitigazioni del danno apportato ai ricettori. La scelta di effettuare simulazioni in continuo di due serie storiche riferite agli anni 2005 e 2006 per valutare lo stato attuale della rete e dei suoi scaricatori in relazione agli sversamenti in corpi idrici superficiali, ha consentito un analisi certamente più affidabile rispetto a quelle fatte sulla base delle classiche simulazioni singole. A dimostrazione di quanto appena affermato si è voluto effettuare uno studio preliminare mettendo a confronto simulazioni singole con simulazioni in continuo. Gli esiti del confronto testimoniano che, mentre nel calcolo dell’accumulo superficiale di inquinanti i due tipi di simulazione si equivalgono, nel calcolo del dilavamento operato dalla pioggia la simulazione di tipo continuo è certamente più precisa, in quanto ha memoria delle masse di sedimenti eventualmente rimasti in superficie al termine di un evento meteorico, contrariamente a quanto accade per le simulazioni di singoli eventi. Ciò può ovviamente portare a valori di masse di sedimenti che entrano in fogna a seguito del
165
dilavamento, dunque anche di masse sversate dagli scaricatori, ben superiori a quelli ottenuti con le classiche simulazioni singole. Le simulazioni nella configurazione senza vasche hanno portato a stimare, per le masse di solidi sospesi totali sversati, un valore specifico di circa 600 kg per ettaro di superficie efficace. Le vasche di prima pioggia sono state dimensionate col metodo delle masse assolute di solidi sospesi totali (SST) sversate nell’anno, con uno schema fuori linea. I risultati ottenuti dalle simulazioni svolte sulla serie storica dell’anno 2006 confermano l’utilità di questo tipo di opere per la mitigazione dell’impatto ambientale sui ricettori: infatti, se si prende in esame l’assetto della rete con la realizzazione delle vasche, rispetto alle masse di Solidi Sospesi Totali sversate nella configurazione attuale l’abbattimento è superiore al 30% con vasche da 15 m3/haeff e di oltre il 50% con vasche da 25 m3/haeff ; simili sono i dati sull’abbattimento delle masse di BOD5 totale. Una ultima simulazione è stata condotta abbassando i tassi di accumulo superficiale del 30%, in modo da testare l’effetto di un intervento non strutturale, quale quello prodotto nella realtà, da una sistematica pulizia delle strade: la riduzione delle masse di SST è però risultata solamente pari al 20%. In definitiva, possiamo quindi affermare che l’inserimento di opere quali le vasche di prima pioggia, a prescindere dalla specifica fattibilità tecnico-economica gioverebbe senza dubbio alla sostenibilità ambientale dello sviluppo urbano.
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