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Introduzione al dimensionamento e alla modellazione dei sistemi di drenaggio urbano 1

Università degli Studi di UdinePolo Scientifico dei Rizzi

Corsi di Deontologia e Pratica Professionale

Settore Ingegneria Civile e Ambientale

Introduzione al dimensionamento e alla modellazione

dei sistemi di drenaggio urbano

Dr. Ing. Matteo NicoliniDipartimento di Chimica, Fisica e Ambiente

Sezione Georisorse e Territorio

via Cotonificio, 114 - 33100 Udineemail: [email protected]

Giovedì 5 maggio 2011

Università degli Studi di Udine, Polo Scientifico dei Rizzi, 5 maggio 2011 Dr. Ing. Matteo Nicolini




Indice1 Impatti quali-quantitativi dell’urbanizzazione 5

2 Aspetti relativi al dimensionamento dei collettori nei sistemidi drenaggio urbano 9

2.1 Relazioni tra intensità di pioggia, durata e tempo di ritorno . . . 9

2.2 Gli ietogrammi di progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Determinazione delle portate di progetto . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.1 Acque nere civili ed industriali . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.2 Acque di infiltrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.3 Acque meteoriche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3.4 Stima dei parametri per bacini urbani . . . . . . . . . . . 18





3 Dimensionamento di una fognatura bianca 21

3.1 Determinazione delle aree scolanti e delle pendenze delle condotte 27

3.2 Calcolo dei tempi di accesso alla rete . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3 Determinazione dei diametri dei collettori . . . . . . . . . . . . . 31

4 Aspetti relativi al dimensionamento dei dispositivi per il con-

trollo quali-quantitativo dei deflussi 47

4.1 Sfioratori di piena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.2 Opere di invaso: obiettivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.3 Vasche volano: il processo di laminazione . . . . . . . . . . . . . 58

4.4 Vasche volano: tipi di laminazione . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.5 Vasche volano: metodologie di dimensionamento . . . . . . . . . 65

5 Introduzione alla modellazione dei sistemi di drenaggio 69Università degli Studi di Udine, Polo Scientifico dei Rizzi, 5 maggio 2011 Dr. Ing. Matteo Nicolini




1 Impatti quali-quantitativi dell’urbanizzazione

Aumento dellaimpermeabilizzazione

Riduzione della ricarica degliacquiferi sotterranei

Diminuzione delle portate dimagra nei corsi d’acqua

Diminuzione dei tempi dicorrivazione

Aumento delle portate e deivolumi di piena

Aumento della frequenza egravità degli allagamenti

Inquinamento delle acquemeteoriche

Aumento dell’erosione dei suoli edel trasporto solido

Aumento della carica di inquinantinei sedimenti

Aumento dei fenomeni franosi

Bilancio idrico

Pre

urbanizzazione

Post

urbanizzazione

Chi produce l’impatto non soffre dell’impatto

(le conseguenze si risentono a valle)





• Invarianza idrologica

Portate post urbanizzazione

Portate ante urbanizzazioneR =

% area urbanizzata

%

a r e a s e r v i t a d a r e t eQ(t)

t

p a s s

a t o

p r e s

e n t e f u t u r

o

““Impatto zeroImpatto zero”” oo ““invarianzainvarianza idrologicaidrologica””

Impedire che lo sviluppo urbanistico conduca a futuri impatti idraulicie ambientali maggiori del presente

Adottare misure strutturali e non strutturali per riequilibrare lo statoattuale e tendere a condizioni simili al passato





• Alla luce delle recenti normative (il D.Lgs. 152/2006), l’approccio

tradizionale non è chiaramente più accettabile e, al giorno d’oggi, ci si sta

indirizzando verso quello che viene denominato Drenaggio Urbano

Sostenibile (Sustainable Urban Drainage, SUD ), basato essenzialmentesull’integrazione ottimale di criteri quantitativi, qualitativi e di

salvaguardia ambientale per un nuovo tipo di approccio progettuale e

costruttivo, con la filosofia di emulare le condizioni naturali del bacino.

• I tre obiettivi del Drenaggio Urbano Sostenibile sono:

1. la riduzione dei rischi di allagamento;

2. la riduzione dell’inquinamento dei corpi idrici ricettori;3. il miglioramento della salvaguardia dell’ambiente, attraverso interventi a

valenza anche naturalistica.





2 Aspetti relativi al dimensionamento dei

collettori nei sistemi di drenaggio urbano

2.1 Relazioni tra intensità di pioggia, durata e tempo di

ritorno

• La relazione tra l’intensità di pioggia, la durata e il tempo di ritorno è ingenere fornita dalla seguente espressione:

i(θ, T r) = a(T r) θn−1 (1)

normalmente espressa in termini di altezza pluviometrica come

h(θ, T r) = i(θ, T r) θ = a(T r) θn (2)





2.2 Gli ietogrammi di progetto

• La determinazione del legame h(θ, T r) = a(T r)θn(T r) non è ancora

sufficiente, ma deve essere completata dalla conoscenza dello ietogrammai(t), ovvero dell’andamento dell’intensità di pioggia durante l’evento

meteorico.

• A tal proposito è utile sottolineare come le curve di possibilitàpluviometrica non forniscono l’andamento nel tempo dell’altezza di

pioggia, ma solamente l’altezza associata alla durata dell’evento.

• Nella maggior parte delle situazioni, per maggiore praticità, vengono

adottati i cosiddetti ietogrammi di progetto (o sintetici ), che forniscono, a

partire dall’altezza di precipitazione, l’andamento dell’intensità nel tempo.





• Il più semplice ietogramma sintetico adottato, e quello anche

più frequentemente ipotizzato, è quello costante, per il quale l’intensità di

precipitazione è costante e quindi uguale all’intensità media dell’altezza di

pioggia:

i(t) = cost =h

θ = a θn−1

(3)

al quale corrisponde un andamento nel tempo dell’altezza di

precipitazione lineare:

p(t) =

t

0

i(t′) dt′ = a θn−1t (4)

• Un altro ietogramma molto spesso utilizzato è quello triangolare,

caratterizzato da un andamento lineare crescente fino ad un picco e,quindi, linearmente decrescente fino alla durata della pioggia. La

posizione del picco è espressa da un coefficiente κ = t p/θ, dove t p è il

tempo (ad es. in ore) di picco.





• Le equazioni che rappresentano l’andamento dell’intensità nel tempo sono

i(t) =2a θn−2 t

κ per t ≤ t p

2a θn−2

θ−t1−κ

per t ≥ t p

(5)

mentre quelle che esprimono l’altezza di pioggia valgono

p(t) =

a θn−2

t2κ

per t ≤ t p

a θn−2θ2 − (θ−t)2

1−κ

per t ≥ t p

(6)

• Caratteristica degli ietogrammi triangolari è di avere, in corrispondenzadel picco, un’intensità pari al doppio di quella media, cioè i(t p) = 2a θn−1.





0 2 4 6 80

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

t (ore)

i ( t ) ( m m / o r a )

(a)

a = 93.0 mm/oran

n = 0.320

θ = 1 oraθ = 2 ore

θ = 4 oreθ = 8 ore

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

t (ore)

i ( t ) ( m m / o r a )

(b)

a = 93.0 mm/oran

n = 0.320

Figura 1: Ietogrammi di progetto: (a) ietogrammi costanti per diverse durate;

(b) ietogramma costante e triangolare (con picco centrale) per θ = 1 ora.Università degli Studi di Udine, Polo Scientifico dei Rizzi, 5 maggio 2011 Dr. Ing. Matteo Nicolini




2.3 Determinazione delle portate di progetto

• Il calcolo delle portate di progetto è da effettuare per tutte le sezioni deicollettori a monte delle confluenze più importanti. La determinazione

delle portate dipende dal tipo di rete da dimensionare: nelle condizioni

più generali, per calcolare i diametri di una fognatura unitaria, la portata

di dimensionamento sarà costituita dalla somma dei seguenti contributi:

1. acque nere civili ed industriali;

2. acque di infiltrazione,

3. acque bianche o meteroriche.





2.3.1 Acque nere civili ed industriali

• Le portate nere, Qn, si determinano in base alle densità abitative, a

partire dalle dotazioni idriche dell’acquedotto. In genere, l’apporto in

fognatura è pari a circa l’80% del consumo, cioè

Qn = 0.8 Qmax (7)

in cui Qmax è la massima portata distribuita dall’acquedotto,corrispondente alla portata di punta del giorno di massimo consumo.

• Normalmente, avendo già classificato le zone dal punto di vista

urbanistico, si assegna a ciascuna un coefficiente udometrico per le acquenere, un, che indica la portata specifica massima (portata nera di punta)

per unità di superficie. I valori più adottati sono i seguenti:





Tipo di zone un (l/s/ha)

intensive 1.5

semintensive o semintensive 1.0

industriali 1.5

commerciali 1.0

estensive 0.5

2.3.2 Acque di infiltrazione

• Le normative impongono grande cura sia nella scelta del materiale dei

collettori, sia nella loro realizzazione, onde garantire una perfetta tenuta

idraulica e pertanto escludere, da un lato, perdite idrauliche e, dall’altro,

la raccolta di acque di infiltrazione dannose per i processi depurativi.





2.3.3 Acque meteoriche

• Le acque bianche o meteoriche costituiscono l’elemento di gran lunga

preponderante nel dimensionamento dei collettori, basti pensare che,

durante un evento breve ed intenso, i coeffficienti udometrici di queste

possono arrivare a valori di 50÷300 volte quelli delle acque nere.

• I metodi per la determinazione dell’evento critico sono diversi: di seguito

si riportano le espressioni per il calcolo del coefficiente udometrico:

uc(T r) =Qc(T r)

S =

2.778ψ a(T r) tn(T r)−1c metodo cinematico

2.778ξ(T r) i(θc, T r) formula razionale(8)

dove, si ricorda, uc sono espressi in l/s/ha, a in mm/oran e la durata

critica in ore.





2.3.4 Stima dei parametri per bacini urbani

• Per il metodo cinematico (e per la formula razionale), è stato proposto di

calcolare il tempo di corrivazione (ovvero, la durata critica) come somma

di due contributi:

tc = θc = ta + tr (9)

dove ta è il cosiddetto tempo di accesso e tr è il tempo di rete .

• Per quanto riguarda il tempo di accesso, generalmente vengono assunti

valori di 3÷15 minuti. Mambretti e Paoletti (1997) hanno introdotto unarelazione per il calcolo di ta di un generico sottobacino, espressa come:

ta = 3600n−14 120 S 0.3

i 0.375(aψ)0.25

4

n+3

(10)

nella quale S è l’area del sottobacino (in ettari), i la pendenza media, ψ il

coefficiente di afflusso, a e n sono i coefficienti della curva pluviometrica,

con a in mm/oran

; la formula fornisce ta in secondi.Università degli Studi di Udine, Polo Scientifico dei Rizzi, 5 maggio 2011 Dr. Ing. Matteo Nicolini




• Il tempo di rete è calcolabile come somma dei tempi di percorrenza dellesingole condotte seguendo il percorso più lungo della rete di

canalizzazioni, ed è quindi esprimibile come somma di rapporti tra la

lunghezza della tubazione ed una velocità di riferimento. Alcune ricerche

svolte presso il Politecnico di Milano (Becciu, Mambretti e Paoletti, 1997)

hanno proposto la seguente espressione:

tr =1

1.5

i

Li

V r,i(11)

dove Li e V r,i sono rispettivamente la lunghezza e la velocità (relativa al

massimo riempimento) della condotta i-esima:

V r,i = K s,i

Di

4

2/3

i1/2f,i (12)





• Per quanto riguarda la derminazione del coefficiente di afflusso, si può fare

riferimento alla seguente espressione (Rasulo e Gisonni, 1997):

ψ = ψperm(1−Aimp) + ψimpAimp (13)

nella quale ψperm e ψimp sono i coefficienti di afflusso delle aree permeabilie impermeabili, rispettivamente, e sono forniti in funzione del tempo di

ritorno come riportato nella Tabella seguente.

Tabella 1: Valori dei coefficienti di afflusso per bacini urbani.

T r (anni) ψperm ψimp

< 2 0.00÷0.15 0.60÷0.75

2÷10 0.10÷0.25 0.65÷0.80

> 10 0.15÷0.30 0.70÷0.90





3 Dimensionamento di una fognatura bianca• Sia assegnato un quartiere per il quale si deve procedere al

dimensionamento dei collettori di raccolta delle acque meteoriche. Si è

anche indicata la suddivisione planimetrica in aree scolanti, mentre leprincipali caratteristiche dei sottobacini e dei tratti da dimensionare sono

riportati nelle tabelle che seguono.

• Utilizzando il metodo della corrivazione ed assumendo un grado massimodi riempimento delle condotte del 75%, si determinino le dimensioni dei

diametri dei collettori fognari assumendo le seguenti curve di possibilità

pluviometrica relative ad un tempo di ritorno di 5 anni:

h(θ, T r = 5) =

48.0 θ0.384 → scrosci

48.2 θ0.293 → piogge orarie(14)





Figura 2: Rappresentazione schematica del quartiere oggetto dello studio.Università degli Studi di Udine, Polo Scientifico dei Rizzi, 5 maggio 2011 Dr. Ing. Matteo Nicolini




Figura 3: Indicazione dei bacini scolanti e dei nodi della rete.Università degli Studi di Udine, Polo Scientifico dei Rizzi, 5 maggio 2011 Dr. Ing. Matteo Nicolini




Tabella 4: Caratteristiche dei tratti della rete. N.B.: i bacini afferenti sono

solamente quelli direttamente scolanti sul tratto in esame.

Tratto Bacini afferenti Lunghezza (m)

1 - A — 12.75

2 - 1 S1a 74.31

3 - 2 S1b 46.01

4 - 3 S1c 53.04

5 - 4 S1d 46.75

B - 5 — 23.00

6 - B S3b” ’ 28.47

7 - 6 S3a”, S3b” 33.97

8 - 7 S3a’, S3b’ 41.79

9 - 8 S4 149.91

10 - B — 28.43

11 - 10 S2 100.01






3.1 Determinazione delle aree scolanti e delle pendenze

delle condotte

• Il dimensionamento dei collettori si effettua ipotizzando che si instauri la

condizione di moto uniforme e imponendo che il grado di riempimento

della condotta non superi il 75% per assicurare un adeguato franco. Siadotta dunque :

y

D≤ 0.75 (15)

che, nel caso di condotte circolari, vuol dire fissare:

Qc

Qr≤ 0.912 (16)

dove Qr è la portata in condizioni di moto uniforme a tubo pieno.

• Le condotte fognarie vengono scelte in calcestruzzo semplice prefabbricato

per il quale si assume un valore di scabrezza di Strickler kS pari a 70

m

1/3

s

−1

.Università degli Studi di Udine, Polo Scientifico dei Rizzi, 5 maggio 2011 Dr. Ing. Matteo Nicolini





• Per ogni tratto della rete nella tabella seguente vengono indicati:

1. la denominazione del tratto;

2. i bacini scolanti fino al tratto considerato;

3. l’area totale dei bacini scolanti;

4. la pendenza del collettore, che viene scelta cercando di seguire la pendenza

media del terreno; a tal fine, si determinano le pendenze medie dei vari

percorsi e si adotta per i collettori di un dato ramo una stessa pendenza:

9− 8− 7− 6−B : it,9−B = 0.0024 −→ if = 0.003

11− 10−B : it,11B

= 0.0044 −→ if

= 0.003

B − 5− 4− 3− 2− 1−A : it,B−A = 0.0084 −→ if = 0.005




3.2 Calcolo dei tempi di accesso alla rete

• Il tempo di accesso in rete è calcolato in riferimento ai nodi terminali 9 e

11 della rete:

Percorso ta (min) ta assunto (min)

9-8-7-6-B 2.25 2.25

11-10-B 5.54 10.00

• Per il nodo 11 il bacino afferente in modo diretto è S2: si osserva che non

è un’area regolare e, vista anche la posizione del collettore rispetto albacino, la valutazione del tempo di accesso in rete con la formula

considerata non risulta verosimile. Per questo motivo si preferisce

adottare un tempo ta, fissato in base al caso in esame, pari 10 minuti.





3.3 Determinazione dei diametri dei collettori

• Nelle tabelle delle pagine seguenti vengono riassunti i calcoli per il

dimensionamento dei collettori. In particolare, si riportano le seguentigrandezze:

– if , pendenza del collettore;

– L, lunghezza del tratto;– ta, tempo di accesso alla rete;

– tr,m, tempo di residenza a monte del tratto;

– S , area totale dei bacini afferenti al tratto;– ψ, coefficiente di afflusso medio dei bacini scolanti.





• Si dimensiona quindi la tubazione sulla base delle seguenti formule:

V r (m/s) = kS

D4

23 i

12

f Velocità in condizioni di tubo pieno

Qr (l/s) = V rπD2

4 1000 Portata in condizioni di tubo pieno

tr (min) = tr,m + 160

LV r

Tempo di residenza

tc (min) = ta + tr1.5 Tempo di corrivazione

uc (l/s/ha) = 2.78ψ̄a

tc60

n−1Coefficiente udometrico

Qc (l/s) = ucS Portata defluente massima

• Si osserva che per il calcolo delle grandezze riportate nella tabella

precedente è necessario conoscere il diametro della condotta che deve

quindi essere scelto preventivamente.

• Si reitera il calcolo incrementando ogni volta al diametro commerciale

superiore fino a che non si verifica che Qc

Qr≤ 0.912, condizione che deriva

dall’aver posto yD ≤ 0.75.




Tabella 7: Tratto 7-6.

if 0.003 D (m) 0.7 0.8

L (m) 33.97 V r (m/s) 1.20 1.31

ta (min) 2.25 Qr (l/s) 461.61 659.06

S (ha) 1.91 tr (min) 3.66 3.62

tr,m (min) 3.19 tc (min) 4.69 4.66

kS 70.00 uc (l/s/ha) 263.13 264.06

(Qc/Qr)max 0.91 Qc (l/s) 502.58 504.36

ψ 0.41 Qc/Qr 1.09 0.77





Tabella 8: Tratto 6-B.

if 0.003 D (m) 0.8

L (m) 28.47 V r (m/s) 1.31

ta (min) 2.25 Qr (l/s) 659.06

S (ha) 1.99 tr (min) 3.98

tr,m (min) 3.62 tc (min) 4.90

kS 70.00 uc (l/s/ha) 255.98

(Qc/Qr)max 0.91 Qc (l/s) 510.42

ψ 0.41 Qc/Qr 0.77




Tabella 10: Tratto 10-B.

if 0.003 D (m) 0.6

L (m) 28.43 V r (m/s) 1.08

ta (min) 10.00 Qr (l/s) 306.02

S (ha) 3.39 tr (min) 1.98

tr,m (min) 1.54 tc (min) 11.32

kS 70.00 uc (l/s/ha) 70.84

(Qc/Qr)max 0.91 Qc (l/s) 240.20

ψ 0.19 Qc/Qr 0.79





• Arrivati al nodo di confluenza B, si adottano per i tratti a valle di B queivalori di tempo di accesso alla rete ta e di residenza in rete tr,m che

rendono massima la somma ta +tr,m1.5 :

1. percorso 9-8-7-6-B : ta +tr,m

1.5 = 2.25 +3.981.5 = 4.90 (min);

2. percorso 11-10-B: ta +tr,m1.5 = 10.00 + 1.98

1.5 = 11.32 (min);

quindi, per tutti i tratti a valle di B, si assume ta = 10.00 min e

tr,m = 1.98 min.• E’ da evidenziare che per il tratto B-5 la condizione Qc

Qr≤ 0.91 è

praticamente soddisfatta già per un diametro di 0.7 m; tuttavia, poiché B

è un nodo in cui confluiscono da monte due rami aventi diametri diversi

(0.6 m e 0.8 m), si deve assumere nel tratto di valle B-5 un diametro che

sia pari ad almeno il massimo di quelli provenienti da monte.





if 0.005 D (m) 0.8

L (m) 46.75 V r (m/s) 1.69

ta (min) 10.00 Qr (l/s) 850.84

S (ha) 5.65 tr (min) 2.66

tr,m (min) 2.20 tc (min) 11.78

kS 70.00 uc (l/s/ha) 100.12

(Qc/Qr)max 0.91 Qc (l/s) 566.10

ψ 0.28 Qc/Qr 0.67






if 0.005 D (m) 0.8

L (m) 53.25 V r (m/s) 1.69

ta (min) 10.00 Qr (l/s) 850.84

S (ha) 6.04 tr (min) 3.19

tr,m (min) 2.66 tc (min) 12.13

kS 70.00 uc (l/s/ha) 100.06

(Qc/Qr)max 0.91 Qc (l/s) 604.64

ψ 0.28 Qc/Qr 0.71






if 0.005 D (m) 0.8

L (m) 46.01 V r (m/s) 1.69

ta (min) 10.00 Qr (l/s) 850.84

S (ha) 6.58 tr (min) 3.64

tr,m (min) 3.19 tc (min) 12.43

kS 70.00 uc (l/s/ha) 100.57

(Qc/Qr)max 0.91 Qc (l/s) 662.06

ψ 0.29 Qc/Qr 0.78






if 0.005 D (m) 0.8

L (m) 74.31 V r (m/s) 1.69

ta (min) 10.00 Qr (l/s) 850.84

S (ha) 7.01 tr (min) 4.37

tr,m (min) 3.64 tc (min) 12.92

kS 70.00 uc (l/s/ha) 99.56

(Qc/Qr)max 0.91 Qc (l/s) 697.91

ψ 0.29 Qc/Qr 0.82





Tabella 16: Tratto 1-A.

if 0.005 D (m) 0.8

L (m) 12.75 V r (m/s) 1.69

ta (min) 10.00 Qr (l/s) 850.84

S (ha) 7.01 tr (min) 4.51

tr,m (min) 4.37 tc (min) 13.01

kS 70.00 uc (l/s/ha) 99.15

(Qc/Qr)max 0.91 Qc (l/s) 695.03

ψ 0.29 Qc/Qr 0.82





Figura 4: Profilo longitudinale della rete nel tratto 9-B-A.Università degli Studi di Udine, Polo Scientifico dei Rizzi, 5 maggio 2011 Dr. Ing. Matteo Nicolini




4 Aspetti relativi al dimensionamento deidispositivi per il controllo quali-quantitativo

dei deflussi

• I dispositivi per il controllo dei deflussi nelle aree urbane sono

riconducibili alle seguenti categorie:

1. manufatti scaricatori (sfioratori, scolmatori di piena);2. manufatti di invaso (vasche di prima pioggia e vasche volano).

• Entrambe le tipologie hanno un impatto sia quantitativo (riduzione

portate a valle per gli sfioratori di piena e per le vasche volano) siaqualitativo (abbattimento di inquinanti nel caso delle vasche di prima

pioggia, impatto sui corpi idrici ricettori per gli scolmatori di piena).





4.1 Sfioratori di piena

• Lo sfioratore è un dispositivo che divide la portata in arrivo in quella che

viene derivata verso l’impianto di depurazione e nella portata rimanente,

che viene sfiorata verso il ricettore attraverso il canale emissario.

• La portata residua viene avviata all’impianto di depurazione,generalmente dimensionato per trattare un assegnato multiplo, Qt, della

portata nera, Qn, intesa come portata media di tempo asciutto, dato da

Qt = r Qn (17)

dove il coefficiente r è noto come grado di diluizione .

• Dalla definizione di grado di diluizione prima data, si ha che:

Qt = Qn + (r − 1)Qn (18)

in cui il termine (r − 1)Qn rappresenta evidentemente il valore di soglia

della portata meteorica (detta anche bianca ), Qb.





• La concentrazione media ponderale, c(t), al tempo t della sostanzainquinante nella portata complessiva che si forma in fognatura è data

dalla:

c(t) =cnqn(t) + cbqb(t)

qn(t) + qb(t)

(19)

• Considerando ora la portata nera costante e pari al suo valor medio,

qn(t) = Qn, la concentrazione cs nel momento in cui inizia lo sfioro è data

dalla:

cs =cnQn + cb(r − 1)Qn

rQn=

cn + cb(r − 1)

r(20)

• Noti i valori di cn e cb di ogni sostanza inquinante d’interesse, e fissato il

corrispondente valore cs ammissibile per il ricettore (D.Lgs. 152/06), sipuò calcolare il valore del grado di diluizione r di progetto, e quindi la

portata Qt caratteristica del manufatto ripartitore.





• Il dimensionamento degli sfioratori laterali viene effettuato ricorrendo

all’ipotesi di processo di sfioro ad energia costante.

• Numerose esperienze hanno mostrato come tale ipotesi venga ben

rispettata nella maggior parte dei casi pratici, anche se essa è valida, a

rigore, solo nei casi in cui si abbia perfetta compensazione tra le resistenzeal moto e la componente del peso della corrente in direzione del moto

(if = J ).

• Pur essendo possibile realizzare degli sfioratori laterali in corrente veloce,è facile dimostrare che in questo caso la loro efficienza è molto inferiore

che nel caso di corrente lenta, per cui tali dispositivi sono in genere

realizzati in canali o collettori a debole pendenza.

• Nel caso di corrente lenta nel condotto derivatore a valle dello sfioratore,

supposto indefinito verso valle, l’altezza idrica nella sezione terminale

dello sfioratore sarà quella di moto uniforme, Figura 6.





Figura 6: Esempio di sfioratore laterale semplice.



L d di i t i t



• Le grandezze di interesse in questo caso sono:

1. l’altezza di moto uniforme di valle, yv,0, corrispondente alla portata Qmax;2. l’energia specifica della corrente di valle,

E v,0 = yv,0 +Q2max

2gA

2

v,0

(21)

con Av,0 sezione liquida corrispondente a yv,0;

3. la parabola delle portate , data da

Q(y) = A(y)

2g (E v,0 − y) (22)

con A(y) sezione liquida in funzione del tirante y;

4. la legge di efflusso:

dQdx

= −C q

2g (y − p)32 (23)

dove C q è il coefficiente di portata (che può assumersi costante e pari a

0.4) e p è il cosiddetto petto dello stramazzo.





Figura 7: Profilo di moto permanente nel caso di sfioratore laterale.



4 2 Opere di invaso: obiettivi



4.2 Opere di invaso: obiettivi

• Vasche di prima pioggia (in linea o fuori linea): controllo inquinamento

• Vasche (di prima pioggia e) volano (in linea o fuori linea): controllo piene

Tempo

Pioggia

Portate

Concen-trazioni

Ietogramma

Idrogramma

Pollutogramma

Controllopiene

Controllodell’inquinamento

Tempo



• Piani Regionali di Tutela e Uso delle Acque: esempi



• Piani Regionali di Tutela e Uso delle Acque: esempi

Piano di Tutela Regione LombardiaPiano di Tutela Regione Lombardia

Regolamento regionale 24 marzo 2006 - n. 3: “Disciplina e regime autorizzatorio degli

scarichi di acque reflue domestiche e di reti fognarie , in attuazione dell’art. 52,

comma 1, lettera a) della L.R. 12/12/2003 n. 26”

Art. 16: Indica i casi in cui sono richieste le vasche di prima pioggia e i criteri per il loro

dimensionamento:

Comma 3

a: vasche da 50 mc/haimp nel caso di recapito in corpi idrici significativi (PTUA) o sul suolo

b: vasche da 25 mc/haimp nel caso di recapito in corpi idrici non significativi

Comma 4

a: le vasche sono realizzate in testa all’impianto di depurazione

b: presso gli scaricatori di piena che sottendono agglomerati con oltre 10.000 a. e.

c: presso gli scaricatori di piena che sottendono almeno l’80% della superficie servita dalla rete,nel caso di recapito in corpi idrici significativi o sul suolo, e il 50%, nel caso di recapito in corpiidrici non significativi





• Piano Regionale di Tutela e Uso delle Acque: Regione Lombardia

Limite allo scarico per aree

urbanizzate esistenti

40 l/s ha imp

Limite allo scarico per

nuove urbanizzazioni

20 l/s ha imp

La crescente urbanizzazione richiede lLa crescente urbanizzazione richiede l’’adozione di pesanti misureadozione di pesanti misure

di laminazione delle piene urbane.di laminazione delle piene urbane.



4 3 Vasche volano: il processo di laminazione



4.3 Vasche volano: il processo di laminazione

• Variabili in gioco

)(t W

)(t h

)t(Qe

x

)t(Qu

Qe, Qu

t

Qe

QQuu

+

-

QQuu maxmax

Dati da assegnare per il progettodi un serbatoio di laminazione:

• onda “di progetto” Qe(t) diassegnato tempo di ritornoda effettuare con le leggidell’idrologia statistica

• Qu max compatibile a valle

Risultati del calcolo:

• onda uscente Qu(t)

• volume Wmax da invasare nelserbatoio



• Equazioni



• Equazioni

- Equazione di continuità:

qe(t) noto; qu(t) e W(t) incogniti.

dt

t dW t Qt Q ue

- Legge d’efflusso:

)()( t h f t Qu

- Legge d’invaso:

W f h

3 equazioni nelle 3 incognite

QQuu(t), h(t), W(t)(t), h(t), W(t)

Il colmo Qu max si ha sempre

nell’istante in cui vale la

condizione di massimo Qe = Qu

e quindi per l’equazione di

continuità: dW/dt = 0)(t W

)(t h

)t(Qe

x

)t(Qu

Qe, Qu

t

Qe

QQuu

+

-

QQuu maxmax



• Leggi di efflusso dal serbatoio



• Leggi di efflusso dal serbatoio



4.4 Vasche volano: tipi di laminazione



4.4 Vasche volano: tipi di laminazione

• Laminazione ottimale a parità di volume d’invaso W

Wnon ott

laminazione ottimale

laminazione non ottimale

Qumax ott

Qe, Qumax

ta parità di volume d’invaso W la laminazione ottimale

ottiene il minimo della portata uscente massima

Qu max ott < Qu max non ott

Qumax non ott

Wott



• Laminazione ottimale a parità di portata uscente massima Qu max



p p Qu,max

Wnon ott

laminazione ottimale

laminazione non ottimale

Qu max

Qe, Qumax

ta parità di Qu max la laminazione ottimale

richiede il minimo volume d’invaso

Wott < Wnon ott

Wott



• Laminazione con volume insufficiente: W1 si riempie dopo dell’istante di



• Laminazione con volume insufficiente: W 1 si riempie dopo dell istante di

picco t p

tW1 = istante di riempimento del volume W1

t2 = istante di svuotamento del volume W2

Q2

W1

W2

W1

t t

QP

t

Qe(t)

Qu(t)

tW2


Q

t

)(2)()( t hgt h Lt Qu

efflusso da luci a stramazzo

efflusso da luci a battente

)(2)( t hgt Qu

Qe(t)

h(t)

Qu(t)Q1 Q2

h1

h2 = hsfioro

Sacche d’ariacon pulsazioni

W2

h3

W1

Q3



• Laminazione con volume insufficiente: W 1 si riempie prima dell’istante di



picco t p


t2 = istante di svuotamento del volume W2


Q2

W1

W2

W1

tW1 t2

QP

tP

Qe(t)

Qu(t)

tW2

Q

t

)(2)()( t hgt h Lt Qu

efflusso da luci a stramazzo

efflusso da luci a battente

)(2)( t hgt Qu

Qe(t)

h(t)

Qu(t)Q1 Q2

h1

h2 = hsfioro

Sacche d’ariacon pulsazioni

W2

h3

W1

Q3



4.5 Vasche volano: metodologie di dimensionamento



• Ipotesi

Qe(t) Schematizzazione dell’idrogramma in ingressosulla base di un modello concettuale di trasformazione afflussi-deflussi

Qu(t) Ipotesi semplificativa sull’idrogramma in uscita:

portata in uscita costante durante il colmo (laminazione ottimale)

Wmax, hmax

dt

t dW t Qt Q ue)()()(



• Metodo dell’invaso (Paoletti e Rege-Gianas, 1979)



k

mnF w),(

1

u

c

Q

Qm

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0.2 0 .4 0 .6 0.8

n

G

m = 2

3

4

10

F n

n

nnn

e D

F m

F mmF

D

m

F D

m

D

F

D

F mng 11ln

11

1

ln),(

1

1

121

011

ln)1(

2

1

1

F

n

n

n

e

F m

D

F D

mF D

m

nF n

c

),(),(),(Qk

W mnF mngmnG

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0.2 0.4 0.6 0.8

n

F

m=2

3

4

10

n

F

m

n

G

m



M t d i ti (Alf i O i 1979)



• Metodo cinematico (Alfonsi e Orsi, 1979)

0

1

2

0T QQ

a AQT a AW

uu

n

u

n

012

0

1

u

n

w

u

n

wQ

a AQT )n(a An

0,1

1

10

10 0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

y

n = 0,20,3

0,4

0,5

0,6 0,7

0T

y w

c

u

Q

Q

y

Qc(w)

Qc(c)

=T0 w

Qu

C

dW()

d——— = 0

W



• Limiti dei modelli idrologici



Pioggia costante

Vasca semplice

Laminazione ottimale Regolatori di flusso a portata variabile

Ietogrammi variabili

Vasche multi-camera

Sottostima o sovrastimadel volume della vasca

Evento singolo Possibilità di pre-riempimento

SIMULAZIONEDETTAGLIATA

solo predimensionamento vasca



5 Introduzione alla modellazione dei sistemi di



drenaggio

• La modellazione di un sistema di drenaggio prevede due tipi di modelli:

1. modelli idrologici di trasformazione afflussi-deflussi;

2. modelli idraulici di propagazione dei deflussi di piena.

• Generalmente i modelli seguono il seguente schema logico:

1. individuazione dello ietogramma di pioggia in ingresso al bacino;2. suddivisione del bacino in più sottobacini;

3. schematizzazione di ogni sottobacino come una falda piana

rettangolare scolante in corrispondenza di un nodo idraulico;

4. trasformazione afflussi-deflussi per ogni sottobacino e determinazione

dell’idrogramma che entra nel nodo idraulico della rete;

5. calcolo a moto vario della propagazione dei deflussi in rete.





• Individuazione della pioggia in ingresso al bacino: le piogge da adottare

possono riguardare eventi isolati e di apprezzabile entità, o lunghe serie

storiche di precipitazioni alternate a lunghi periodi di tempo asciutto,

pertinenti ai modelli di tipo a simulazione continua.• Valutazione della pioggia netta: la pioggia che cade in un bacino sotteso

da una rete di drenaggio, non si trasforma completamente in deflusso nella

rete stessa essendo presenti le perdite idrologiche , quali:

1. l’intercettazione ed evaporazione a causa della vegetazione;

2. l’evapotraspirazione;

3. l’immagazzinamento nelle depressioni superficiali;

4. l’infiltrazione nei suoli permeabili.



• Trasformazione degli afflussi netti in deflussi superficiali





• Propagazione in rete dell’onda di piena





Riferimenti bibliografici



[1] AA.VV. Tecniche per la difesa dall’inquinamento – Atti del XXII corso

di aggiornamento, a cura di G. Frega, BIOS, 2002.

[2] AA.VV. La difesa idraulica dei territori fortemente antropizzati – Atti

del IV corso di aggiornamento, a cura di U. Maione e A. Brath, BIOS,1998.

[3] AA.VV., Sistemi di fognatura. Manuale di progettazione ,

CSDU-HOEPLI, 1997.[4] AA.VV., Sistemi di fognatura e di drenaggio urbano, a cura di A.

Paoletti, CUSL, 1996.

[5] G. Becciu e A. Paoletti, Esercitazioni di Costruzioni idrauliche ,CEDAM, 2005, terza edizione.

[6] D. Butler and J. W. Davies, Urban Drainage , E & FN Spon, 2004,

seconda edizione.





[7] V.T. Chow, D. R. Maidment and L.W. Mays, Applied Hydrology ,McGraw-Hill, 1988.

[8] L. Da Deppo e C. Datei, Fognature , Edizioni Libreria Cortina, 2000.

[9] G.C. Frega, Lezioni di Acquedotti e Fognature , Liguori, 2002.

[10] S.J. Nix, Urban Stormwater Modeling and Simulation , CRC Press, 1994.


dispensa ing nicolini

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