Transcript Relazione estesa - Ingegnere Ambientale Dott. Giovanni Scarano

Ing. Giovanni Scarano
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Vasche di laminazione
1. Premessa
Il dissesto idrogeologico provocato da anni di dissennata corsa alla cementificazione è ormai
davanti agli occhi di tutti dopo la drammatica alluvione di Genova che fa seguito ad una lungo serie
di disastri successi negli anni passati. La situazione attuale in Italia è fotografata fedelmente dalla
mappatura delle zone a rischio e dalla entità delle popolazioni esposte risultanti da una indagine di
Legambiente riassunta dalla sottostante composizione grafica.
Lo stanziamento di fondi per la costruzione delle opere di risanamento, la cui consistenza è in via
di riconsiderazione dopo la vicenda di Genova, è un segno tangibile dell’importanza che viene data
al problema. Al contempo, nelle Regioni più sensibili alle tematiche ambientali, sono già entrate in
vigore le norme tecniche elaborate dalle Autorità di Bacino Distrettuali che, con l’emanazione del
D.Lgs. 23 febbraio 2010 n. 49 concernente l’attuazione della Direttiva 2007/60/CE relativa alla
valutazione ed alla gestione dei rischi di alluvioni, sono i soggetti competenti per l’adozione dei
Piani Stralcio di distretto per l’assetto idrografico (PAI). A questa opera di normazione forniscono
un contributo importante anche alcune Regioni, come ad esempio le Marche, e svariati Comuni,
uno in particolare Trento, i quali hanno inserito queste problematiche nei loro regolamenti
urbanistici. A fronte di tanta sollecitudine, fa da contraltare la notevole disuniformità delle norme
per cui, come si dimostrerà nel corso della relazione, un’opera di risanamento realizzata nel
comune di Trento viene a costare all’incirca un terzo di un’opera paritetica realizzata nelle Marche.
Le vasche di laminazione proposte dallo scrivente sono descritte nella presente relazione
unitamente al metodo di progetto riportato in appendice. Tale metodo, nato sulla base dei modelli
di calcolo attualmente in uso in America, fornisce dei risultati che suscitano non poche perplessità
sulla attendibilità delle regole di dimensionamento attualmente imposte in Italia.
1
2. Principio della invarianza idraulica
Il principio della invarianza idraulica consiste nella trasformazione di un’area (tipicamente da verde
a urbanizzata) realizzata in modo da non provocare un aggravio della portata di piena delle acque
meteoriche di dilavamento della superficie scolante recapitanti nel corpo idrico recettore. Tale
aggravio è la conseguenza della sostituzione di zone permeabili (prati, boschi , …) con coperture e
pavimentazioni impermeabili (tetti, strade, piazzali, …) che, impedendo l’infiltrazione dell’acqua
piovana nel sottosuolo, provoca un aumento della portata e del volume di deflusso dell’acqua oltre
che un deperimento della falda acquifera. In mancanza di misure mirate a compensare le suddette
trasformazioni può succedere che, in presenza di eventi atmosferici eccezionali, l’eccessiva
portata di immissione nel corpo idrico delle acque meteoriche di dilavamento possa provocare
fenomeni di esondazione e conseguenti allagamenti delle zone circostanti.
Le misure compensative correntemente messe in atto per conseguire l’invarianza idraulica
consistono nella predisposizione di volumi di invaso che consentano la laminazione delle piene,
intendendo con tale termine la ritenzione e l’accumulo dell’acqua addotta al corpo idrico durante i
picchi di pioggia ed il suo successivo rilascio in modo da non superare mai la portata di target che
in genere coincide con quella preesistente alle opere di trasformazione dell’area. Le tipologie
costruttive adottate a riguardo sono vasche di cemento armato, invasi in terra e depressioni in area
verde, disposte nella sezione di chiusura del bacino scolante a monte del corpo idrico recettore, di
capacità tale da contenere l’esubero di portata dell’acqua piovana derivante da una precipitazione
eccezionale (in genere le norme fanno riferimento al peggiore evento degli ultimi 50 anni).
3. Caratteristiche costruttive e funzionali delle vasche di laminazione
Le vasche di laminazione descritte nella presente relazione sono in grado di realizzare l’invarianza
idraulica per opere di trasformazione riguardanti superfici scolanti di qualsiasi estensione.
Le vasche sono costruite con l’impiego di pannelli prefabbricati in c.a. Nella posa in opera le
vasche vengono interrate a livello della condotta di drenaggio delle acque meteoriche di
dilavamento e ricoperte al piano di campagna con solai di copertura prefabbricati carrabili o
pedonali muniti di aperture di ispezionamento protette da chiusini di classe adeguata.
Pannelli e solai prefabbricati in cemento armato
2
Questa configurazione delle vasche non pregiudica l’impiego del terreno sovrastante e consente la
loro manutenzione ordinaria con particolare riguardo alle operazioni di pulitura e lavaggio degli
ambienti interni. Al contempo, trattandosi di manufatti interrati, viene salvaguardato l’aspetto
paesaggistico e viene minimizzato, previo attenta sigillatura del solaio di copertura, il rischio del
degrado ambientale conseguente alla emanazione di odori malsani e alla proliferazione di insetti
provocate dal deposito sul fondo della vasca delle sostanze, anche organiche, trascinate dalle
acque meteoriche di dilavamento della superficie scolante. Peraltro, come sarà dimostrato nel
corso della relazione, le soluzioni impiantistiche adottate tendono a minimizzare, se non annullare,
il grado di sporcamento delle vasche e quindi l’esigenza di contenere i suddetti effetti collaterali.
Le vasche di laminazione, di seguito descritte, sono suddivise in due categorie a seconda che il
sistema adottato per la captazione delle acque meteoriche di dilavamento sia “online” o “offline”.
Figura 1 - Vasca di laminazione con sistema di captazione online
Figura 2 - Vasca di laminazione con sistema di captazione offline
3.1 Sistema online
Le vasche di laminazione con sistema di captazione online sono collegate in entrata con la
condotta di drenaggio delle acque meteoriche di dilavamento della superficie scolante e in uscita
con la condotta di scarico recapitante nel corpo recettore. La condotta di entrata è innestata
superiormente sulla parete frontale della vasca ed è dimensionata in base alla portata di progetto
nella situazione post operam; la condotta di uscita è innestata inferiormente sulla parete opposta
ed è dimensionata in base alla portata di target che in genere coincide con quella preesistente
nella situazione ante operam. Le vasche sono altresì munite di uno scarico di troppo pieno
recapitante nella condotta di scarico oppure direttamente nel corpo recettore.
La tipologia di dispositivo di efflusso più semplice e comune è la bocca a battente a luce fissa che
esercita un’azione di laminazione della portata di uscita dalla vasca. Tale portata aumenta al
crescere del battente dell’acqua nella vasca e raggiunge il suo valore massimo, pari alla portata di
target, al livello di troppo pieno.
3
3.2 Sistema offline
Le vasche di laminazione con sistema di captazione offline sono affiancate da un canale (bypass)
collegato con la condotta di drenaggio delle acque meteoriche di dilavamento e con la condotta di
scarico recapitante nel corpo recettore e sono equipaggiate con una o più pompe di profondità che
provvedono contestualmente al rilancio dell’acqua nel canale e al suo ricircolo all’interno della vasca.
La parete del canale confinante con la vasca è ribassata di modo che, quando la portata dell’acqua
defluente a pelo libero nel canale supera il valore di target, l’acqua tracima nella vasca da cui viene
in parte rilanciata al canale con una portata pari a quella di target e in parte ricircolata nella vasca.
Il risultato di questo modo di operare è che la vasca esercita la sua funzione di volano come nel
sistema online ma, a differenza di questo, il flusso dell’acqua proveniente dalla rete drenante viene
bypassato in tutto o in parte in ragione della frazione la cui portata è inferiore a quella di target.
Per di più, il ricircolo dell’acqua nella vasca impedisce la sedimentazione dei solidi ivi presenti e
agevola il loro conferimento al canale di bypass e quindi lo scarico nel corpo recettore.
4. Vantaggi delle vasche di laminazione a pannelli prefabbricati in c.a.v.
Le vasche di laminazione delle acque meteoriche di dilavamento descritte nella presente relazione
sono realizzate con l’impiego dei pannelli prefabbricai in c.a.v. il che comporta, rispetto alla
costruzione in opera, apprezzabili economie dei costi di costruzione oltre che una garanzia della
qualità degli elementi strutturali impiegati essendo questi certificati dal produttore. Al contempo, la
configurazione delle vasche con sistema di captazione delle acque del tipo offline (ove praticabile
per la disponibilità di energia elettrica) presenta rispetto al sistema online consistenti vantaggi in
termini di minori volumi impegnati e di ridotte esigenze di manutenzione. Tutto ciò si traduce in
rilevanti economie dei costi di costruzione e di gestione del sistema di laminazione.
Queste affermazioni sono validate da uno studio teorico riportato in appendice alla presente
relazione in cui fra l’altro viene presentato un modello per il calcolo delle vasche di laminazione
delle acque meteoriche di dilavamento basato sul metodo razionale modificato che ormai è
accettato da tutti gli Organismi di controllo operanti negli Stati Uniti. Il modello di calcolo è stato
applicato, a titolo puramente indicativo, allo studio di un caso prova riguardante un bacino scolante
che viene trasformato da area completamente a verde (permeabile) ad area completamente
urbanizzata (impermeabile).
4.1 Volumi minimi di invaso
Nello specifico, viene considerato un bacino avente una superficie scolante di 1 ha per il quale I
volumi di acqua invasata sono stati calcolati per tutte le durate della pioggia con due valori del
tempo di ritorno (10 e 50 anni) e per due tipologie di vasca di laminazione (online e offline).
I risultati della simulazione sono illustrati dai diagrammi riportati nelle sottostanti figure 3 e 4, che
riproducono le figure 4 e 5 dell’appendice.
4
Figura 4 - Diagramma per piogge con tempo di ritorno di 50 anni
Figura 3 - Diagramma per piogge con tempo di ritorno di 10 anni
I diagrammi dimostrano un andamento “a campana” del volume di acqua invasata in funzione della
durata della pioggia con un valore di colmo che cresce all’aumentare del tempo di ritorno da 10 a
50 anni e decresce passando dal sistema di captazione online a quello offline. Questo valore di
colmo rappresenta il massimo volume di acqua che sarà necessario invasare nella situazione post
operam ossia il volume da assegnare alla vasca di laminazione. Questo volume può essere
determinato come punto di massimo dei diagrammi sopra esposti oppure con un procedimento
molto più spedito descritto nel capitolo 7 dell’appendice.
Con tale procedimento sono stati calcolati i volumi delle vasche di laminazione per il caso prova
riferito a tre bacini aventi superficie scolante di 1, 5 e 10 ha. La tabella 1, riprodotta dalla tabella 5
dell’appendice, raffronta i risultati della simulazione ai valori calcolati con i metodi più comunemente
impiegati in Italia fra cui in particolare: il metodo dell’invaso lineare prescritto dalla Regione Marche
(L.R. 23 novembre 2011 n. 22); il metodo proporzionale (500 mc/ha) vigente nelle Regioni Emilia
Romagna e Toscana (Deliberazione n. 3 del 5 marzo 2014 dell’Autorità di Bacino del Reno); il
metodo elaborato dal Comune di Trento (Circolare dell’Ufficio Reti Idrauliche, gennaio 2011).
Tabella 1 - Volume della vasca di laminazione (m3) calcolato per un caso prova con diversi metodi
Superficie
scolante
(ha)
Metodo
dell’invaso
lineare
Metodo
proporzionale
(500 mc/ha)
Metodo
del comune
di Trento
1
883
500
5
4414
10
8822
Metodo razionale
Tempo di ritorno 50 anni
Tempo di ritorno 10 anni
online
offline
online
offline
295
326
242
250
184
2500
1476
1941
1444
1503
1104
5000
2952
4187
3115
3253
2390
5
Dall’esame dei valori di tabella 1 si deduce quanto segue:
- a parità di tutte le condizioni (parametri climatici, estensione e conformazione del bacino
scolante, natura e entità delle opere di trasformazione) il volume da assegnare alla vasca di
laminazione operante con il sistema di captazione offline è sistematicamente inferiore di oltre il
25 % (1/4) a quello relativo alla vasca con sistema online;
- i valori calcolati mediante il metodo razionale sono comparabili e congruenti con quelli valutati
con il metodo del Comune di Trento mentre sono drasticamente inferiori (2 - 3 volte) ai valori
derivanti dalla applicazione del metodo dell’invaso lineare e del metodo proporzionale.
4.2 Esigenze di manutenzione
L’esigenza di pulizia degli invasi di laminazione, quale che sia la loro conformazione, era sentita
sin dai primordi di questa tecnologia come dimostra un rapporto EPA sull’argomento (Catch Basin
Cleaning, september 1999) secondo cui gli invasi dovrebbero essere ispezionati almeno una volta
l’anno per definire la periodicità delle operazioni di pulitura che potrebbe essere anche settimanale.
La pulizia periodica delle vasche di laminazione, così come di qualsiasi altro invaso adibito a tal
fine, serve a scongiurare il degrado ambientale conseguente alla emanazione di odori malsani e
alla proliferazione di insetti provocati dal deposito delle sostanze, anche organiche, trascinate dalle
acque meteoriche di dilavamento e a prevenire l’accumulo di sostanze pericolose quali, in
particolare, i metalli pesanti presenti nelle acque provenienti dalle sedi stradali (nella fattispecie
zinco, piombo e rame derivanti dalla erosione delle strutture zincate, dai gas di scarico e dalla
usura di gomme e freni). Negli invasi di laminazione con captazione online l’esigenza è ancora più
sentita in quanto le operazioni di pulizia servono anche a scongiurare l’ostruzione della bocca a
battente abbastanza frequente a causa delle ridotte dimensioni di tale dispositivo di efflusso.
Una stima della entità dello sporcamento e quindi della esigenza di pulizia delle vasche di
laminazione è riportata in appendice dove lo studio del caso prova mediante il metodo razionale
modificato viene esteso al calcolo del volume delle acque di prima pioggia entranti nella vasca.
Le acque di prima pioggia sono definite dalla normativa italiana come le prime acque meteoriche di
dilavamento fino ad una certa altezza massima di precipitazione (in genere 5 mm), uniformemente
distribuiti sull’intera superficie scolante, relativamente ad ogni evento meteorico preceduto da un
certo intervallo di tempo asciutto (in genere almeno 48 ore). Tali acque contengono gran parte
delle sostanze inquinanti trascinate nel dilavamento della superficie scolante fra cui in particolare i
sedimenti solidi (fanghiglia), le sospensioni leggere (oli) e le sostanze pericolose (metalli pesanti).
Stanti le elevate dimensioni delle vasche di laminazione, le acque di prima pioggia entranti
rilasciano, prima di fuoriuscire, gli inquinanti trascinati nel dilavamento della superficie scolante.
Nella appendice, si propone un nuovo criterio di definizione e quindi di calcolo delle acque di prima
pioggia. Tale criterio è basato sul principio per cui le acque meteoriche di dilavamento della
superficie scolante inquinate (prima pioggia) sono soltanto quelle derivanti dalle precipitazioni che
si verificano durante il tempo di accesso della particella di acqua più lontana alla rete di drenaggio.
6
Le acque che precipitano successivamente (seconda pioggia) defluiscono su una superficie già
dilavata dopo di che vengono incalanate nelle condotte di drenaggio dove è presumibile che il
deposito di sostanze inquinanti sia piuttosto contenuto.
Questo criterio è stato applicato al caso
prova facendo riferimento ad un bacino
scolante di 1 ha e ad eventi atmosferici
con tempo di ritorno di 50 anni. I risultati
della simulazione sono rappresentati nel
diagramma di figura 5, che riproduce la
figura 10 dell’appendice, dove è riportato
l’andamento del volume dell’acqua di
prima pioggia entrante nelle vasche di
laminazione con sistema di captazione
online e offline in funzione della durata
della pioggia.
Figura 5 - Volume dell’acqua di prima pioggia entrante nella condotta
Dall’esame del diagramma di figura 5 si evince quanto segue. Per piogge che durano pochi minuti
(scrosci) il volume dell’acqua di prima pioggia entrante nella vasca di laminazione è dell’ordine di
50 m3 per ambedue i sistemi di captazione (per inciso il volume di 50 m3 su una superficie scolante
di 1 ha equivale ad una altezza di pioggia di 5 mm che è giust’appunto il valore stabilito dalle norme).
Per piogge di durata superiore, il volume entrante nella condotta con sistema di captazione offline
è molto minore di quello relativo alla condotta con sistema online fino ad annullarsi per una pioggia
di durata 0,4 h (24 minuti). Oltre tale valore l’acqua di prima pioggia continua ad entrare nella
vasca con sistema online anche per eventi atmosferici di lunga durata.
Sulla base di questi risultati si può concludere che le vasche di laminazione con sistema di
captazione offline sono interessate da un quantitativo di acqua di prima pioggia entrante
drasticamente inferiore a quello delle vasche online per cui si sporcano molto meno e quindi
richiedono un impegno di pulizia e di manutenzione decisamente più contenuto. A titolo puramente
indicativo si può stimare che, ipotizzando come da dati di letteratura che le piogge di durata minore
di 1 h siano all’incirca il 30 % del totale, quelle inferiori a 0,4 h possono arrivare al 10 - 15 % che
rappresenta quindi la percentuale di acque di prima pioggia (e del relativo sporcamento) che
interessano le vasche con sistema di captazione offline. A questo bisogna aggiungere che il
contestuale ricircolo dell’acqua operato all’interno della vasca dalle pompe di rilancio alla condotta
di bypass impedisce la sedimentazione delle sostanze solide che vengono pressoché
completamente avviate alla condotta di scarico.
Alla luce di quanto sopra, è ragionevole affermare che le vasche di laminazione descritte nella
presente relazione sono pressoché esenti da sporcamento e quindi le operazioni di pulizia,
seppure necessarie, possono essere eseguite con una frequenza estremamente bassa.
7
5. Conclusioni
Il sistema di laminazione delle acque meteoriche di dilavamento descritto nella presente relazione
costituisce un progetto industriale indirizzato alle aziende che producono pannelli prefabbricati in
cemento armato anche per usi diversi dalle vasche (tipicamente le tamponature dei capannoni).
Il progetto si rivolge ad un enorme settore di mercato, quale è quello riguardante in generale gli
strumenti di difesa del territorio contro i rischi idrogeologici, e si propone di rivitalizzare una tipologia
di prodotto (i pannelli prefabbricati) inserita nel contesto della produzione di strutture industriali e
commerciali che è costata alle aziende rilevanti oneri di investimento e che attualmente risente più
degli altri del calo della domanda provocato dalla crisi che attanaglia il nostro Paese.
L’impiego dei pannelli prefabbricati in cemento armato unitamente alle peculiarità di funzionamento
sopra descritte conferisce alle vasche di laminazione in oggetto consistenti vantaggi in termini di
minori costi di costruzione e di gestione rispetto alle soluzioni tradizionali.
Per quantificare tali vantaggi è stato messo a punto un modello di calcolo la cui descrizione è
confinata in appendice a causa della sua complessità matematica. Una volta avviata la produzione
industriale del sistema in esame, il modello di calcolo sarà messo a disposizione dei committenti.
Il modello di calcolo parte dal metodo razionale modificato attualmente praticato negli Stati Uniti
ma rispetto ad esso presenta numerosi elementi di novità. I risultati della sua applicazione ad un
caso prova, riportati nella tabella 1, dimostrano la concreta possibilità di ridurre drasticamente (più
di 2 - 3 volte) il volume della vasca di laminazione rispetto ai valori calcolati con le procedure
imposte da gran parte delle Istituzioni preposte al controllo delle opere di trasformazione del
territorio. Ciò si traduce evidentemente in una cospicua riduzione dei costi di costruzione essendo
la vasca di laminazione la maggiore voce di spesa di tali opere.
L’altro aspetto esaminato mediante il modello di calcolo è il grado di sporcamento dell’invaso da
cui deriva l’esigenza delle operazioni di pulitura interna. Come raccomandato dal già citato rapporto
EPA sull’argomento, tali operazioni devono essere eseguite periodicamente tramite autospurgo.
Questa pratica viene spesso disattesa, come è
dimostrato dalle innumerevoli contestazioni
alle vasche di laminazione provocate delle loro
precarie
condizioni
ambientali;
senza
considerare la possibilità di accumulo delle
sostanze pericolose (ove presenti) che non è
ancora a conoscenza della pubblica opinione.
Contestazioni alle vasche di laminazione
La riduzione di volume della vasca di laminazione, passando dal sistema di captazione offline a
quello online, comporta una semplificazione delle operazioni di pulitura. Oltre a ciò, l’applicazione
del modello di calcolo al caso prova, estrinsecata nel diagramma di figura 5, ha dimostrato che il
sistema di captazione offline comporta altresì una drastica riduzione (80 - 90 %) del volume di
acqua di prima pioggia entrante nella vasca e quindi dello sporcamento da essa provocato.
8
Se a ciò si aggiunge che, in virtù del ricircolo dell’acqua all’interno alla vasca, le sostanze solide
presenti nelle acque meteoriche di dilavamento vengono pressoché completamente conferite allo
scarico si arguisce che le operazioni pur sempre necessarie per tenere pulite le vasche sono
ridotte al minimo. Questo è probabilmente l’aspetto predominante del sistema di protezione dai
rischi idrogeologici proposto dalla presente relazione.
9
APPENDICE
Calcolo delle vasche di laminazione con il metodo razionale
Le vasche di laminazione delle acque meteoriche di dilavamento esposte nella relazione principale
vengono calcolate mediante il metodo razionale modificato la cui descrizione è confinata nella
presente appendice in considerazione della sua complessità matematica.
1. Idrogramma del bacino scolante
Il metodo razionale si basa sull’assunto, peraltro confortato da numerosi riscontri sperimentali, che
l’andamento della portata delle acque meteoriche di dilavamento nella sezione di chiusura del
bacino scolante in funzione del tempo t di decorrenza dell’evento atmosferico e il relativo valore
massimo sono rappresentati dagli idrogrammi e dalle correlazioni riportate in figura 1.
10 C a A
Qm = —————
td(1-n)
(1)
10 C a A td
Qm = ————— ——
td(1-n) tc
(2)
10 C a A
Qm = —————
tc(1-n)
(3)
Figura 1 - Idrogramma del bacino scolante secondo il metodo razionale
I simboli in figura 1 hanno il seguente significato:
td (h)
Qm (m /h)
3
durata della pioggia;
portata massima durante l’evento atmosferico di durata td;
a (mm/h ), n
parametri della curva di probabilità pluviometrica;
C
coefficiente di afflusso;
n
A (ha)
tc (h)
area della superficie scolante;
tempo di corrivazione.
Gli idrogrammi di figura 1 sono riferiti alle seguenti tre situazioni: a) td ≥ tc ; b) td ≤ tc ; c) td = tc.
L’espressione della portata massima è sempre la stessa a meno della situazione b) dove viene
introdotto il fattore riduttivo td / tc che tiene conto del fatto che la pioggia termina prima che tutta
l’acqua meteorica di dilavamento sia pervenuta alla sezione di chiusura.
1
Considerato che i parametri a, n, C ed A dipendono esclusivamente dalla zona climatica e dalle
dimensioni e natura della superficie scolante, le correlazioni riportate in figura dimostrano che la
portata massima fra le varie piogge (portata di picco o di piena Qp) si verifica per una durata pari al
tempo di corrivazione. In quanto segue vengono riportati gli algoritmi di calcolo delle grandezze
che compaiono nelle relazioni (1), (2) e (3).
1.1 Parametri della curva di probabilità pluviometrica
I parametri a ed n sono caratteristici della zona geografica interessata e dipendono dal tempo di
ritorno, inteso come l’intervallo di tempo, espresso in anni, nel quale l’evento meteorico viene
mediamente eguagliato o superato. A solo titolo di esempio, nella tabella 1 sono riportati i valori
determinati dal Compartimento della Sezione Idrografica di Roma tramite elaborazione su base
statistica-probabilistica dei dati rilevati dalla stazione pluviografica di Perugia.
Tabella 1 - Parametri della curva di probabilità pluviometrica per la zona di Perugia
Tempo di ritorno (anni)
Parametro
2
10
25
50
100
a (mm/hn)
28,3
47,7
57,5
64,7
81,9
n
0,285
0,256
0,249
0,245
0,242
1.2 Coefficiente di afflusso della superficie scolante
Il coefficiente di afflusso C rappresenta il rapporto fra il volume totale di deflusso delle acque
meteoriche di dilavamento della superficie scolante e il volume totale di pioggia caduta sul bacino.
Il coefficiente di afflusso non è una costante del bacino ma varia da evento a evento a seconda
della sua intensità e dello stato di umidità del terreno. Tuttavia, in fase di progettazione, si fa
riferimento ai coefficienti relativi a particolari eventi critici che vengono estrapolati a tutte le possibili
situazioni. I valori di tabella 2 costituiscono un esempio a riguardo.
Tabella 2 - Coefficiente di afflusso per varie tipologie urbane
Tipologia urbana
C
Costruzioni dense
0,8
Costruzioni spaziate
0,6
Aree con grandi cortili e grandi giardini
0,5
Zone a villini
0,3 - 0,4
Giardini, prati e zone non destinate a costruzioni e a strade
Parchi e boschi
0,2
0,05 - 0,1
2
In alternativa alla tabella 2, il coefficiente di afflusso può essere calcolato mediante la relazione
proposta dal gruppo “Deflussi Urbani”:
dove:
(4)
C = Cperm (1 - pimp) + Cimp pimp
pimp
è l’aliquota di area impermeabile della superficie scolante;
Cimp
è il contributo al deflusso delle aree impermeabili.
Cperm è il contributo al deflusso delle aree permeabili;
Cperm e Cimp possono essere determinati in funzione del tempo di ritorno mediante la tabella 3.
Tabella 3 - Valori dei contributi al deflusso per vari tempi di ritorno
Tempo di ritorno (anni)
Cperm
Cimp
<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 - 90
Per superfici scolanti composte da aree A i di differente capacità di deflusso, il coefficiente C si
calcola come media pesata dei coefficienti Ci delle singole aree:
Σi Ci Ai
C = ———–—
Σi Ai
(5)
1.3 Tempo di corrivazione
Il tempo di corrivazione tc è l’intervallo temporale impiegato dalla particella liquida più lontana per
arrivare alla sezione di chiusura del bacino scolante. Tale tempo è dato dalla somma di due termini:
dove:
ta (h)
tr (h)
tc = ta + tr
(h)
(6)
è il tempo di accesso della particella alla rete drenante;
è il tempo di percorrenza della rete drenante.
Il tempo di accesso si calcola tramite una formula ricavata con il metodo del condotto equivalente:
1
3600 (n-1)/n x 120 x A0,3
ta = —–— [ —————————— ] 4/(n+3)
3600
pa0,375 (a x C)0,25
(h)
(7)
dove pa è la pendenza media della superficie scolante e i parametri a (mm/hn), n, A (ha) e C sono
già stati definiti all’inizio del capitolo.
3
Il tempo di rete si calcola mediante la seguente relazione:
dove:
lr (m)
pr
Ks (m1/3 / s)
1
26,3 (lr / Ks)0,6
tr = —–— [ ————————————— ] 1/(0,6 + 0,4 n)
3600
36000,4 (1-n) (a /1000)0,4 pr0,3
(h)
(8)
è la lunghezza massima della rete drenante;
è la pendenza media della rete drenante;
è il coefficiente di Gauckler - Strickler per la condotta / canale drenante.
In mancanza di dati rilevati, la lunghezza massima della rete drenante può essere determinata in
prima approssimazione in funzione dell’area della superficie scolante A (ha) mediante la relazione:
lr = 19,1 (100 A)0,548
(m)
Il coefficiente di Gauckler - Strickler può essere determinato con l’ausilio della tabella 4.
(9)
Tabella 4 - Coefficiente di Gauckler - Strickler per condotte / canali realizzati con vari materiali
Rete drenante
Condotte chiuse
Canali
Materiale
Ks (m1/3 / s)
Calcestruzzo
62 - 95
Plastica
70 - 95
Acciaio
40 - 67
Rivestiti con conglomerati bituminosi
57 - 75
Rivestiti di calcestruzzo
57 - 77
In terra
20 - 60
2. Diagramma afflusso- deflusso della vasca di laminazione
La vasca di laminazione, quale che sia la sua conformazione, deve essere dimensionata in modo
da contenere l’eccedenza, rispetto alla situazione ante operam, delle acque meteoriche di
dilavamento risultanti dalla precipitazione limite nella situazione post operam (condizione di piena).
Il metodo razionale calcola il volume massimo di acqua da invasare, e quindi la capacità di
accumulo, in base all’andamento dei flussi di acqua in entrata e in uscita dalla vasca in funzione
del tempo per tutte le possibili durate dell’evento atmosferico (diagramma afflusso - deflusso).
2.1 Situazione ante operam
La portata di picco nella situazione ante operam Qpante delle acque meteoriche di dilavamento nella
sezione di chiusura del bacino scolante è data in via generale dalla relazione (3) che deve essere
applicata nelle condizioni di deflusso del bacino scolante preesistente alle opere di trasformazione.
4
Nella fattispecie la relazione (3) diventa:
10 Cante a A
Qpante = ——————
tcante(1-n)
(m3/h)
(10)
dove Cante e tcante sono il coefficiente di afflusso e il tempo di corrivazione calcolati tramite gli
algoritmi esposti nei paragrafi 1.2 e 1.3 applicati alla situazione ante operam del bacino scolante.
2.2 Situazione post operam
Il bacino scolante, risultante dalle opere di trasformazione, è caratterizzato da valori del
coefficiente di afflusso Cpost e del tempo di corrivazione tcpost diversi da quelli determinati per la
situazione ante operam. Tali parametri devono quindi essere ricalcolati tramite gli stessi algoritmi.
Ciò premesso, la portata massima Qmpost delle acque meteoriche di dilavamento nella sezione di
chiusura del bacino, e quindi in entrata alla vasca di laminazione, per una pioggia di durata td è
espressa dalle relazioni (1) e (2) a seconda che risulti td ≥ tcpost oppure td ≤ tcpost. Nello specifico,
esprimendo td in ore, tali relazioni diventano:
10 Cpost a A
Qmpost = ——————
td(1-n)
(m3/h)
10 Cpost a A
td
Qmpost = —————— ——
td(1-n)
tcpost
(m3/h)
(11)
(12)
In figura 2 è riportato l’andamento della portata d’acqua in entrata (linea azzurra) e in uscita (linea
rossa) da una vasca di laminazione con sistema di captazione online in funzione del tempo di
decorrenza t dell’evento atmosferico. In particolare sono presentati due diagrammi a seconda che
la pioggia abbia durata td maggiore o minore del tempo di corrivazione tcpost .
Figura 2 - Diagramma afflusso-deflusso della vasca di laminazione con sistema di captazione online
5
L’andamento della portata d’acqua in entrata alla vasca riproduce quelli già enunciati nella figura 1,
lettera a) e b), mentre l’andamento della portata in uscita deriva dall’effetto della laminazione
esercitata dal dispositivo di efflusso per cui la portata di uscita aumenta al crescere del battente
dell’acqua nella vasca fino a raggiungere il valore massimo pari alla portata di target Qpante per poi
decrescere al diminuire del livello. La linearità di tali andamenti è una ipotesi del metodo razionale
senz’altro plausibile se il dispositivo di efflusso consiste in una bocca a battente a luce fissa.
Il volume VON dell’acqua invasata nella vasca di laminazione per una determinata durata della
pioggia è dato dall’area del quadrilatero ABED che può essere determinato come differenza fra
l’area del quadrilatero ABCD e quella del triangolo DEC. Le formule risultanti valide per le piogge
aventi una durata td ≥ tcpost sono date dalle relazioni (13) e (14), mentre quelle per le piogge di
durata td ≤ tcpost sono date dalle relazioni (15) e (16).
(tcpost + td)
AABCD = Qppost td ; ADEC = Qpante —————
2
(tcpost + td)
VON = Qmpost td - Qpante —————
2
(m3)
(tcpost + td)
AABCD = Qmpost tcpost ; ADEC = Qpante —————
2
(tcpost + td)
VON = Qmpost tcpost - Qpante —————
2
(m3)
(13)
(14)
(15)
(16)
Come sopra, nella figura 3 è riportato l’andamento della portata d’acqua in entrata (linea azzurra) e
in uscita (linea rossa) dalla vasca di laminazione con sistema di captazione offline in funzione del
tempo di decorrenza t dell’evento atmosferico. Al solito, sono presentati due diagrammi a seconda
che la pioggia abbia durata td maggiore oppure minore del tempo di corrivazione tcpost .
Figura 3 - Diagramma afflusso-deflusso della vasca di laminazione con sistema di captazione offline
6
La portata dell’acqua in entrata ha ovviamente lo stesso andamento di quello del sistema online
mentre quella in uscita è costantemente uguale alla portata di rilancio erogata dalla pompa
preventivamente regolata pari alla portata di target. La svuotamento, e quindi la portata di uscita, si
interrompe a vasca vuota per l’intervento dell’interruttore di livello che comanda la pompa di rilancio.
Occorre rimarcare che, lungo il tratto di diagramma a doppio colore (azzurro e rosso), l’acqua non
entra nella vasca di laminazione in quanto la sua portata è inferiore a quella di target e quindi viene
bypassata attraverso l’apposito canale. Questo è un aspetto molto importante che sarà preso in
considerazione nella valutazione delle differenze di prestazione fra le due tipologie di vasche.
Il procedimento di calcolo del volume VOFF dell’acqua invasata con sistema di captazione offline è
del tutto simile a quello già descritto per la vasca con sistema online. Per una determinata durata
della pioggia, tale volume è dato dall’area del quadrilatero ABCD e le formule risultanti valide per le
piogge di durata td ≥ tcpost sono date dalle relazioni (17) e (18) mentre quelle per le piogge di durata
td ≤ tcpost sono espresse dalle relazioni (19) e (20).
(Qmpost - Qante) tx
tcpost (Qmpost - Qpante)
AABCD = (Qmpost - Qpante) (td - tcpost) + ——————— ; tx = ————————————
2
Qmpost
(17)
(Qmpost - Qante)
VOFF = ——————— (Qmpost td - Qpante tcpost)
Qmpost
(18)
(Qmpost - Qante) tx
td (Qmpost - Qpante)
AABCD = (Qmpost - Qpante) (tcpost - td) + ——————— ; tx = ——————————
2
Qmpost
(19)
(Qmpost - Qpante)
VOFF = ——————— (Qmpost tcpost - Qpante td)
Qmpost
(20)
6. Calcolo del volume di acqua invasata
Il metodo razionale, interpretato come illustrato nel capitolo precedente, consente di calcolare, per
una determinata pioggia di progetto, il volume dell’acqua meteorica di dilavamento invasata nella
vasca di laminazione sia essa operante con sistema di captazione online che offline.
Al fine di valutare l’attendibilità del modello di calcolo e confrontare le prestazioni delle due diverse
tipologie di vasca, in quanto segue viene simulato, a puro titolo indicativo, un caso prova
riguardante un bacino scolante che viene trasformato da area completamente a verde
(permeabile) ad area completamente urbanizzata (impermeabile). L’opera di trasformazione è
realizzata in zona Perugia e i parametri della curva di probabilità pluviometrica “a” ed “n” adottati
sono quelli desumibili dalla tabella 1 con riferimento a un tempo di ritorno di 10 e 50 anni. La rete
di drenaggio delle acque meteoriche di dilavamento nella situazione ante operam è costituita da un
canale o fossato naturale o realizzato artificialmente in terra, mentre nella situazione post operam
le rete è composta da condotte di plastica.
7
I volumi di acqua invasata sono stati calcolati con riferimento a un bacino di 1 ha per ogni possibile
durata della pioggia con due valori del tempo di ritorno (10 e 50 anni) e per le due tipologie di
vasca di laminazione (online e offline). I risultati sono illustrati dai diagrammi delle figure 4 e 5.
Figura 5 - Diagramma per piogge con tempo di ritorno di 50 anni
Figura 4 - Diagramma per piogge con tempo di ritorno di 10 anni
I diagrammi dimostrano un andamento “a campana” del volume di acqua invasata in funzione della
durata della pioggia con un valore di colmo che cresce all’aumentare del tempo di ritorno da 10 a
50 anni e decresce passando dal sistema di captazione online a quello offline. Questo valore di
colmo rappresenta il massimo volume di acqua che sarà necessario invasare nella situazione post
operam ossia il volume da assegnare alla vasca di laminazione. Tale volume può essere
determinato come punto di massimo dei diagrammi sopra esposti oppure con un procedimento
molto più spedito descritto nel paragrafo che segue.
7. Calcolo del volume della vasca di laminazione
Sostituendo la relazione (11) nella (14) si ottiene l’espressione della funzione VON = f(td) che
correla il volume dell’acqua invasata nella vasca di laminazione a sistema di captazione online con
la durata della relativa pioggia. Annullando la derivata di tale funzione rispetto a td si ottiene la
sottostante relazione (21) che esprime esplicitamente la durata della pioggia tdON a cui corrisponde
il massimo volume di acqua invasata. Sostituendo la (21) nella funzione sopra introdotta si ottiene
la relazione (22) che esprime il volume VlON che bisogna assegnare alla vasca di laminazione
qualora venga adottato il sistema di captazione online.
8
dVON
Qpante
——— = 0 → tdON = ( —————— )1/(n-1)
dtd
20 Cpost a n A
n
(tcpost + tdON)
VlON = 10 Cpost a A tdON - Qpante ——————
2
(h)
(21)
(m3)
(22)
Sostituendo la relazione (11) nella (18) si ottiene l’espressione della funzione VOFF = f(td) che
correla il volume dell’acqua invasata nella vasca di laminazione a sistema di captazione offline con
la durata della relativa pioggia. Annullando la derivata di tale funzione rispetto a td si ottiene la
relazione (23) che esprime la durata della pioggia tdOFF a cui corrisponde il massimo volume di
acqua invasata tramite una equazione trascendente che deve essere risolta con un procedimento
iterativo. Sostituendo il risultato di tale procedimento nella funzione sopra introdotta si ottiene la
relazione (24) che esprime il volume VlOFF che bisogna assegnare alla vasca di laminazione
qualora venga adottato il sistema di captazione offline.
dVOFF
——— = 0 →
dtd
VlOFF
(1-n)
10 Cpost a n A
Qpante (1-n) tcpost (1-2n)
——————— - tdOFF + ———————— tdOFF = 0
Qpante
10 Cpost a A
Q2ante tcpost tdOFF
(1-n)
= 10 Cpost a A tdOFF - Qpante (tcpost + tdOFF) + ———————— tdOFF
10 Cpost a A
n
(m3)
(23)
(24)
Nella figura 6 sono riportati i risultati della applicazione del metodo di calcolo sopra esposto al caso
prova specificato nel capitolo precedente con riferimento a bacini scolanti di varia estensione.
Figura 6 - Applicazione del metodo razionale al caso prova
9
Nella tabella 5 sono riportati i risultati della applicazione del metodo di calcolo al caso prova con
riferimento a tre bacini scolanti di superficie 1, 5 e 10 ha. I risultati della simulazione sono
raffrontati ai valori calcolati con i metodi più comunemente impiegati in Italia fra cui in particolare:
il metodo dell’invaso lineare prescritto dalla Regione Marche (L.R. 23 novembre 2011 n. 22);
il metodo proporzionale (500 mc/ha) vigente nelle Regioni Emilia Romagna e Toscana
(Deliberazione n. 3 del 5 marzo 2014 dell’Autorità di Bacino del Reno); il metodo elaborato dal
Comune di Trento (Circolare dell’Ufficio Reti Idrauliche, gennaio 2011).
Tabella 5 - Volume della vasca di laminazione (m3) calcolato per un caso prova con diversi metodi
Superficie
scolante
(ha)
Metodo
dell’invaso
lineare
Metodo
proporzionale
(500 mc/ha)
Metodo
del comune
di Trento
1
883
500
5
4414
10
8822
Metodo razionale
Tempo di ritorno 50 anni
Tempo di ritorno 10 anni
online
offline
online
offline
295
326
242
250
184
2500
1476
1941
1444
1503
1104
5000
2952
4187
3115
3253
2390
Dall’esame del diagramma in figura 8 e dei valori di tabella 5 si deduce quanto segue:
- a parità di tutte le condizioni (parametri climatici, estensione e conformazione del bacino
scolante, natura e entità delle opere di trasformazione) il volume da assegnare alla vasca di
laminazione operante con il sistema di captazione offline è sistematicamente inferiore di oltre il
25 % (1/4) a quello relativo alla vasca con sistema online;
- i valori calcolati mediante il metodo razionale sono comparabili e congruenti con quelli valutati
con il metodo del Comune di Trento mentre sono drasticamente inferiori (2 - 3 volte) ai valori
derivanti dalla applicazione del metodo dell’invaso lineare e del metodo proporzionale.
8. Calcolo del volume dell’acqua di prima pioggia entrante
Le acque di prima pioggia sono definite dalla normativa italiana come le prime acque meteoriche di
dilavamento fino ad una certa altezza massima di precipitazione (in genere 5 mm), uniformemente
distribuiti sull’intera superficie scolante, relativamente ad ogni evento meteorico preceduto da un
certo intervallo di tempo asciutto (in genere almeno 48 ore). Tali acque contengono gran parte
delle sostanze inquinanti trascinate nel dilavamento della superficie scolante fra cui in particolare i
sedimenti solidi (fanghiglia) e le sospensioni leggere (oli).
Normalmente le vasche di laminazione hanno dimensioni talmente elevate per cui le acque di
prima pioggia entranti rilasciano, prima di fuoriuscire, gli inquinanti trascinati nel dilavamento della
superficie scolante ed in particolare la fanghiglia la quale si deposita sul fondo della vasca.
10
La stagnazione di questi materiali può causare l’emanazione di odori malsani e la proliferazione di
insetti qualora la vasca non venga sottoposta ad adeguata operazione periodica di pulitura. Questa
operazione è abbastanza complessa a meno che non si vogliano impiegare apparecchiature molto
costose. Per questo è importante valutare l’entità delle acque di prima pioggia entranti nelle
vasche di laminazione funzionanti come descritto nei paragrafi precedenti.
8.1 Modalità di valutazione delle acque di prima pioggia
La valutazione sopra detta si basa sul principio che le acque di dilavamento della superficie
scolante effettivamente inquinate (prima pioggia) sono quelle derivanti dalle precipitazioni che si
verificano durante il tempo di accesso alla rete di drenaggio. Le acque piovane che precipitano
successivamente (seconda pioggia) defluiscono su una superficie già dilavata dopo di che
vengono incalanate nelle condotte di drenaggio dove è presumibile che il deposito di sostanze
inquinanti sia piuttosto contenuto.
Per quantificare questo principio, bisogna ricorrere agli idrogrammi che illustrano l’andamento della
portata entrante nella vasca di laminazione in funzione del tempo per tutte le possibili durate
dell’evento atmosferico. In particolare vengono prese in considerazione le seguenti tre situazioni
post operam: a) durata della pioggia ≥ tempo di corrivazione ; b) tempo di accesso alla rete ≤
durata della pioggia ≤ tempo di corrivazione; c) durata della pioggia ≤ tempo di accesso alla rete.
8.2 Calcolo per le piogge di durata non inferiore al tempo di corrivazione
L’idrogramma delle piogge di durata non inferiore al tempo di corrivazione è riportato in figura 7.
Figura 7 - Idrogramma per le piogge di durata td ≥ tcpost
La portata massima Qmpost delle acque meteoriche di dilavamento in entrata alla vasca di
laminazione per una pioggia di durata td è espressa dalla relazione (11). La portata dell’acqua di
prima pioggia Q1p, così come definita nel paragrafo presedente, si determina in base alla
similitudine fra i triangoli OBC e OB’C’.
11
Applicando la similitudine e sostituendo la (11), si ottiene:
Qmpost tapost
Q1p = —————
tcpost
(25)
(m3/h)
Il volume V1pON dell’acqua di prima pioggia entrante nella vasca di laminazione con sistema di
captazione online è data dall’area del triangolo OBC, ossia:
2
V1pON
Qmpost tapost
= —————
2 tcpost
(m3)
(26)
Con il sistema di captazione offline, l’acqua di prima pioggia entra nella vasca di laminazione solo
se la relativa portata Q1p è maggiore della portata di picco nella situazione ante operam Qpante.
Stanti le relazioni (11) e (25), tale condizione si verifica se:
10 cpost a A tapost
td ≤ tdlim = ( ———————— )1/(n-1)
Qpante tcpost
(h)
(27)
In tal caso, il volume V1pOFF dell’acqua entrante risulta uguale all’area del quadrilatero ABCD, ossia:
(Qmpost tapost)2 - (Qpante tcpost)2
V1pOFF = ————————————
2 Qmpost tcpost
(m3)
(28)
8.3 Calcolo per le piogge di durata non superiore al tempo di corrivazione
L’idrogramma delle piogge di durata non superiore al tempo di corrivazione e non inferiore al
tempo di accesso è riportato in figura 8.
Figura 8 - Idrogramma per le piogge di durata tapost ≤ td ≤ tcpostt
12
La portata massima Qmpost delle acque meteoriche di dilavamento in entrata alla vasca di
laminazione per una pioggia di durata td è espressa dalle relazioni (12). La portata dell’acqua di
prima pioggia Q1p, così come definita nel paragrafo 8.1, si determina in base alla similitudine fra i
triangoli OBC e OB’C’. Risulta:
Qmpost tapost
Q1p = —————
td
(29)
(m3/h)
Il volume V1pON dell’acqua di prima pioggia entrante nella vasca di laminazione con sistema di
captazione online è data dall’area del triangolo OBC, ossia:
2
V1pON
Qmpost tapost
= —————
2 tcpost
(m3)
(30)
Con il sistema di captazione offline, l’acqua di prima pioggia entra nella vasca di laminazione solo
se la relativa portata Q1p è maggiore della portata di picco nella situazione ante operam Qpante.
Stanti le relazioni (12) e (29), tale condizione si verifica se la durata della pioggia soddisfa alla
stessa relazione (27) riportata nel paragrafo precedente. In tal caso, il volume V1pOFF dell’acqua di
prima pioggia entrante nella vasca risulta uguale all’area del quadrilatero ABCD, ossia:
(Qmpost tapost)2 - (Qpante td)2
V1pOFF = ———————————
2 Qmpost td
(m3)
8.4 Calcolo per le piogge di durata non superiore al tempo di accesso alla rete drenante
L’idrogramma delle piogge di durata inferiore al tempo di accesso è riportato in figura 9.
Figura 9 - Idrogramma per le piogge di durata td ≤ tapost
13
(31)
La portata massima Qmpost delle acque meteoriche di dilavamento in entrata alla vasca di
laminazione per una pioggia di durata td è espressa dalle relazioni (12). La portata dell’acqua di
prima pioggia Q1p, così come definita nel paragrafo 8.1, risulta:
Q1p = Qmpost
(m3/h)
(32)
Il volume V1pON dell’acqua di prima pioggia entrante nella vasca di laminazione con sistema di
captazione online è dato dall’area del quadrilateri ABCD, ossia:
td
V1pON = Qmpost (tapost - —— )
2
(33)
(m3)
Con il sistema di captazione offline, l’acqua di prima pioggia entra nella vasca di laminazione solo
se la relativa portata Q1p è maggiore della portata di picco nella situazione ante operam Qpante.
Stanti le relazioni (12) e (29), tale condizione si verifica se la durata della pioggia soddisfa alla
relazione (27) riportata nel paragrafo 8.2. In tal caso, il volume V1pOFF dell’acqua di prima pioggia
entrante nella vasca risulta uguale all’area del quadrilatero ABCD, ossia:
2
td
Qpante
V1pOFF = Qmpost tapost - —— (Qmpost + ———)
2
Qmpost
(m3)
(34)
8.5 Applicazione del metodo di calcolo
Il metodo di calcolo sopra descritto è stato applicato al caso prova introdotto nel capitolo 6 con
riferimento ad un bacino di 1 ha e a eventi atmosferici con tempo di ritorno di 50 anni. I risultati
della simulazione sono rappresentati nel sottostante diagramma di figura 10.
Figura 10 - Volume entrante dell’acqua di prima pioggia in funzione della durata dell’evento
14
Il diagramma riporta l’andamento del volume dell’acqua di prima pioggia entrante nelle vasche di
laminazione con sistemi di captazione online e offline in funzione della durata della pioggia.
Dal suo esame si evince quanto segue. Per piogge di durata di pochi minuti (scrosci) il volume
dell’acqua di prima pioggia entrante nella vasca di laminazione è dell’ordine di 50 m3 per ambedue
i sistemi di captazione (per inciso il volume di 50 m3 su una superficie scolante di 1 ha equivale ad
una altezza di pioggia di 5 mm che è giust’appunto il valore prescritto dalle norme). Per piogge di
durata superiore, il volume entrante nella vasca con sistema di captazione offline è molto minore di
quello relativo alla vasca con sistema online fino ad annullarsi completamente per una pioggia con
durata di 0,4 h (24 minuti). Oltre tale valore l’acqua di prima pioggia continua ad entrare nella
vasca con sistema online anche per eventi atmosferici di lunga durata.
Sulla base di questi risultati si può concludere che le vasche di laminazione con sistema di
captazione offline sono interessate da un quantitativo di acqua di prima pioggia entrante
drasticamente inferiore a quello delle vasche online per cui si sporcano molto meno e quindi
richiedono un impegno di pulizia e di manutenzione decisamente più contenuto.
9. Dimensionamento dei dispositivi di efflusso
Per completare l’esposizione della metodologia di calcolo delle vasche di laminazione restano da
esaminare gli algoritmi di dimensionamento dei dispositivi di efflusso.
9.1 Calcolo della bocca a battente a luce fissa
Come già anticipato, la bocca a battente è il dispositivo di efflusso più comunemente adottato nelle
vasche di laminazione con sistema di captazione online. Per il suo dimensionamento si usa la
classica equazione di efflusso dell’acqua attraverso una strozzatura:
——————
Qu = µ Ab √ 2 g hi
dove:
(35)
Qu (m3/s) è la portata uscente;
Ab (m2)
è l’area della bocca;
µ
è il coefficiente di efflusso;
hi (m)
g (m/s2)
è il livello di pelo libero nella vasca;
è l’accelerazione di gravità (9,81).
Il coefficiente di eflusso µ, variabile fra 0,5 e 1, dipende principalmente dal rapporto fra l’altezza
della bocca e il livello di pelo libero. Per valori trascurabili di tale rapporto (pelo libero molto alto
rispetto alla bocca) il valore di µ è pari a quello teorico 0,61 dato dalla teoria dei moti a potenziale.
La maggiore portata uscente dalla vasca di laminazione si verifica quando l’acqua arriva alla
condizione di massimo riempimento per cui, assegnando ad hi il valore del livello di troppo pieno e
alla portata uscente il valore di target, la relazione (35) consente di calcolare l’area della bocca.
15
In ogni caso, questa non può avere dimensioni inferiori ad un determinato valore limite, dell’ordine
di 25 x 25 cm, se si vogliono evitare rischi di intasamento.
9.2 Calcolo del canale di bypass
Come già descritto nella relazione principale, le vasche di
laminazione con sistema di captazione offline sono
affiancate da un canale di bypass, collegato con la
condotta di
drenaggio delle
acque
meteoriche di
dilavamento e con la condotta di scarico recapitante nel
corpo recettore. La parete di tale canale confinante con la
vasca è ribassata di modo che, quando la portata
dell’acqua defluente a pelo libero nel canale supera il
valore di target, l’acqua tracima nella vasca da cui viene
rilanciata al canale con una portata pari a quella di target.
Figura 11 - Dimensioni del canale di bypass
Il canale di bypass sopra descritto viene dimensionato con l’impiego della equazione delle correnti
turbolenti a pelo libero in canale a cielo aperto:
——
Q = bc hc Ks ri2/3 √ pc
dove:
Q (m3/s)
è la portata del moto dell’acqua nel canale a sezione piena;
hc (m)
è l’altezza della soglia di stramazzo (figura 11);
bc (m)
pc
ri (m)
Ks (m
1/3
(36)
è la larghezza interna del canale (figura 11);
è la pendenza media;
/ s)
è il raggio idraulico;
è il coefficiente di Gauckler - Strickler.
Il raggio idraulico nel caso specifico è dato da:
bc hc
ri = ————
bc + 2 hc
(m)
(37)
Stante la tabella 4, il coefficiente di Gauckler - Strickler per un canale in cemento vale 57 - 77 m1/3/s.
Nota la portata di colmo dell’acqua defluente nel canale, imposta pari alla portata di target, e
l’inclinazione del canale pc, le dimensioni del canale possono essere calcolate tramite la
sottostante relazione (38), risultante dalla combinazione delle (36) e (37).
Q
bc hc
Q1 = ———— = bc hc (—————)2/3
——
KS √ pc
bc + 2 h c
16
(38)
La (38) è una equazione trascendente che può essere risolta solo mediante un procedimento
iterativo. Tuttavia, è possibile trovare una soluzione più spedita, anche se approssimata, con
l’ausilio del diagramma di figura 12 dove è riportata l’altezza del canale hc (cm) in funzione del
parametro Q1 (l/m1/3) per diversi valori della base del canale bc (cm).
Figura 12 - Diagramma per il dimensionamento del canale di bypass
Il diagramma può essere utilizzato con le seguenti modalità. Data la portata Q (l/s), la pendenza
del canale pc e il coefficiente di Gauckler - Strickler Ks (m1/3/s) si calcola il parametro Q1 (l/m1/3)) con
il quale è possibile determinare la base del canale bc (cm) nota l’altezza hc (cm) o il viceversa
estrapolando fra le diverse curve riportate nel diagramma.
17