Controllo degli scarichi fognari con vasche di prima pioggia

Le acque pluviali di dilavamento di aree urbanizzate, per via delle loro caratteristiche qualitative, rappresentano una fonte importante di inquinamento dei corpi idrici nei quali recapitino fognature bianche o scaricatori di piena a servizio di fognature unitarie [1]. I convenzionali criteri progettuali dei sistemi fognari si basavano infatti sull’ipotesi che le acque meteoriche avessero un livello di contaminazione trascurabile. Numerose ricerche hanno però dimostrato l’inadeguatezza del controllo ambientale conseguibile con questo approccio convenzionale. In particolare, è stato bene evidenziato che le portate meteoriche conferite al trattamento attraverso scaricatori di piena dimensionati secondo i criteri convenzionali sono troppo piccole per garantire un’efficace riduzione dei carichi inquinanti scaricati nei ricettori. D’altra parte, l’aumento del valore della portata di inizio sfioro ai fini di una migliore protezione del ricettore sarebbe difficilmente praticabile, in quanto determinerebbe all’ingresso degli impianti di depurazione portate incompatibili con la loro capacità di trattamento. La necessità di inviare al trattamento un’aliquota importante della massa di inquinanti veicolata dalle acque meteoriche di dilavamento, senza aumentare le portate usualmente addotte in tempo di pioggia agli impianti di depurazione, suggerisce, quindi, come soluzione atta ad una migliore tutela del ricettore, di accoppiare agli scaricatori di piena appositi sistemi di invaso, nei quali possano essere accumulate le prime acque di pioggia, alle quali è normalmente associata una frazione importante della massa di inquinanti. Questi invasi, detti vasche di prima pioggia, hanno la funzione di accumulare, fino al loro completo riempimento, i deflussi con portata eccedente il valore d’inizio sfioro, per inviarli poi alla depurazione con portate compatibili con l’impianto.
Di seguito vengono quantificati i benefici ambientali conseguibili con l’impiego delle vasche di prima pioggia, in funzione della loro capacità specifica (m³ per ettaro di superficie impermeabile contributiva ha_imp), della modalità di inserimento nel sistema fognario (in linea o fuori linea), nonché della modalità di alimentazione (di transito o di cattura) e di svuotamento (in continuo o intermittente).

Tipologie di vasche di prima pioggia
Secondo una classificazione piuttosto diffusa [2], le vasche di prima pioggia si caratterizzano essenzialmente per la diversa modalità di inserimento all’interno della rete fognaria (vasche in linea o fuori linea) e per le differenti modalità di alimentazione (vasche di transito o di cattura).
Indipendentemente dal tipo di sistema fognario, le vasche si dicono in linea quando l’invaso è realizzato direttamente in serie al collettore fognario (fig. 1 a e b). La capacità di invaso può essere ottenuta costruendo una vera e propria vasca, oppure assegnando ad un tratto di collettore una sezione maggiorata rispetto a quella connessa con un normale dimensionamento (supertubo). La portata in ingresso coincide sempre con la portata proveniente dal sistema di monte, mentre la portata in uscita è regolata da una bocca di efflusso (bocca di controllo), dimensionata in modo da limitare la portata al valore massimo ammesso nel sistema di valle, sia esso costituito dal proseguimento della rete fognaria o da un impianto di depurazione. In corrispondenza del deflusso generato da un evento meteorico, la portata in arrivo da monte eccedente il valore massimo viene temporaneamente invasata in vasca e, una volta che questa sia completamente riempita, viene scaricata nel ricettore.
Le vasche si dicono, invece, fuori linea, quando l’invaso è realizzato in derivazione rispetto alla rete fognaria (fig. 1 b, c, d, e). Nei sistemi unitari, l’invaso è sempre accoppiato ad un apposito manufatto partitore (scaricatore di piena) che alimenta la vasca quando la portata in arrivo da monte supera il valore limite di inizio sfioro. Allo scaricatore può essere associato un dispositivo di by-pass che esclude la vasca una volta che questa sia completamente riempita. Nelle fognature pluviali, invece, lo scaricatore di piena può mancare: in questo caso, tutta la portata in arrivo da monte viene convogliata in vasca fino al suo completo riempimento, dopo di che, attraverso il dispositivo di by-pass, viene scaricata nel ricettore. Un altro elemento considerato nella classificazione delle vasche riguarda le modalità con cui, a riempimento avvenuto, le portate in eccesso sono scaricate nel ricettore. Per questo aspetto, che condiziona le caratteristiche qualitative delle acque conferite al trattamento e di quelle scaricate nel ricettore, è possibile individuare due situazioni limite. Nella prima, che corrisponde allo schema delle cosiddette vasche di transito, una volta che la vasca si è riempita, le portate in eccesso rispetto a quelle ammesse a valle entrano comunque nella vasca, miscelandosi con l’acqua già accumulata e provocandone lo sfioro verso lo scarico (fig. 1 a, b, c, d). Nella sua connotazione limite, lo schema contempla che la portata in arrivo sia scaricata nel ricettore, dopo aver attraversato la vasca (mediante uno sfioro localizzato nella sua sezione di valle) e che l’attraversamento della vasca in condizioni di turbolenza determini una miscelazione completa delle portate in arrivo con il volume già accumulato. Nella seconda, che corrisponde allo schema delle cosiddette vasche di cattura, una volta che la vasca si è riempita, le portate in eccesso rispetto a quelle ammesse a valle sono intercettate a monte della vasca e scaricate nel ricettore senza che possano miscelarsi con il volume già accumulato (fig. 1 e, f).
L’inserimento funzionale delle vasche di prima pioggia nell’ambito del sistema fognario e depurativo è anche condizionato dalle modalità con cui esse vengono svuotate per il conferimento alla depurazione del volume accumulato durante l’evento meteorico. Lo svuotamento della vasca, ferma restando la necessità di limitare la portata a valori compatibili con la capacità massima di ricezione del sistema posto a valle (rete o depuratore), può essere realizzato secondo differenti soluzioni, essenzialmente riconducibili a due principali modalità: svuotamento in continuo (anche durante l’evento) e svuotamento intermittente (in genere con inizio successivo all’esaurimento del deflusso generato dall’evento meteorico). Lo svuotamento in continuo, tipicamente applicato alle vasche in linea, costituisce il sistema più semplice da un punto di vista costruttivo e gestionale, in quanto non richiede né organi meccanici di manovra, né specifici dispositivi di controllo, se non una bocca di efflusso in grado di limitare la portata in uscita al valore massimo ammissibile per il sistema posto a valle. A fronte di una notevole semplicità di funzionamento, il sistema di svuotamento in continuo è quello che comporta, a parità di volume della vasca, l’accumulo e l’invio alla depurazione dei maggiori volumi di pioggia, poiché con il progredire dello svuotamento si rendono disponibili nuovi volumi per l’accumulo delle acque in arrivo, indipendentemente dall’istante di tempo in cui queste si presentano. Così, ad esempio, nel corso dello svuotamento in continuo del volume accumulato nel corso della prima parte di un evento, i volumi che si liberano sono utilizzati per l’accumulo del deflusso meteorico determinato dalla rimanente parte dell’evento (la cosiddetta seconda pioggia) che, in genere, presenta caratteristiche qualitative che non richiederebbero un trattamento di depurazione. In alternativa, per tutti gli schemi impiantistici con vasche fuori linea, lo svuotamento della vasca di prima pioggia può avvenire ad intermittenza, definendo l’istante di inizio del processo di svuotamento ed eventualmente la sua interruzione temporanea (se il deflusso meteorico torna ad essere diverso da zero), secondo una logica di ottimizzazione tecnico economica che contempla anche il controllo della portata in uscita dalla vasca, in funzione della portata defluente nel canale derivatore dello scaricatore di piena. Tutto ciò richiede una serie di apparati tecnologici di misura e di controllo costituiti da misuratori di livello, sistemi logici di controllo e di comando ed attuatori in grado di azionare organi meccanici di manovra. A fronte della sua maggior complessità, questa modalità può consentire, senza alterare significativamente l’efficacia ambientale della vasca, una sensibile riduzione dei volumi immessi nel sistema di valle, con conseguenti minori costi gestionali dell’impianto di depurazione. Un’oculata scelta dell’inizio dello svuotamento, infatti, consente di mantenere piena la vasca per un certo intervallo di tempo durante il quale essa risulta indisponibile, sia per l’eventuale seconda parte dell’evento corrente, sia per gli eventuali eventi immediatamente successivi, poco significativi per quanto riguarda il carico inquinante. La definizione dell’istante di inizio del processo di svuotamento è strettamente connessa alla definizione di un criterio che stabilisca quando due eventi meteorici debbano essere considerati distinti agli effetti della necessità di intercettazione delle acque di prima pioggia. Se l’intervallo di tempo secco che separa due eventi meteorici è abbastanza breve, è ragionevole ritenere che la qualità delle acque di deflusso meteorico associate al secondo evento non sia tale da richiedere l’accumulo in vasca e l’invio al trattamento. Al contrario, se l’intervallo di tempo secco che intercorre fra due eventi successivi è piuttosto lungo, le acque di prima pioggia del secondo evento sono da ritenersi inquinate, perché dilavano superfici sulle quali i carichi inquinanti hanno avuto il tempo di depositarsi e accumularsi; in questo caso, pertanto, la vasca deve essere svuotata entro l’inizio del secondo evento, per poterne intercettare le acque di prima pioggia.

Risultati di alcuni studi
La rassegna tipologica presentata evidenzia i numerosi gradi di libertà che caratterizzano la progettazione e la gestione delle vasche di prima pioggia, per quanto riguarda la loro dimensione, le modalità di inserimento nel sistema fognario, le modalità di alimentazione, le modalità di svuotamento. Ne consegue la necessità di un’analisi razionale delle varie opzioni possibili, al fine di individuare le soluzioni che garantiscano un buon compromesso fra l’esigenza ambientale di minimizzare le masse di inquinanti scaricate nei ricettori e l’esigenza economica di minimizzare i volumi specifici delle vasche (al fine di ridurne i costi di investimento) e i volumi di acqua meteorica inviata alla depurazione (al fine di minimizzarne i costi gestionali e i problemi gestionali indotti). Nel seguito sono riassunti i risultati più significativi ottenuti con riferimento alla realtà pluviometrica di Pavia, rappresentativa del regime pluviometrico di buona parte dell’Italia settentrionale.

Schemi impiantistici e sistemi fognari
Una simulazione relativa al bacino sperimentale di Cascina Scala a Pavia, condotta mediante il modello SWMM dell’US-EPA per una serie continua di eventi registrati nell’arco di un anno, ha mostrato che le vasche di transito in linea e fuori linea si associano a benefici ambientali (in termini di riduzione della massa inquinante riversata nel corpo idrico ricettore) molto simili, mentre risulta nettamente superiore l’efficacia offerta da una vasca di cattura rispetto a una vasca di transito (fig. 2). Questo risultato dipende dal fatto che la frazione più contaminata del deflusso di pioggia è associata alla prima parte dell’idrogramma di piena. Questo fenomeno, detto di “first flush”, è ben documentato nella letteratura specialistica [3].
Questo studio ha anche messo in evidenza che, adottando gli usuali criteri di dimensionamento degli scaricatori di piena (rapporto di diluizione pari a 3) e delle vasche di prima pioggia (volume utile pari a 25¸50 m³ per ha_imp), l’impatto inquinante esercitato dalle due differenti tipologie di sistema fognario (unitario e separato) sul corso d’acqua ricettore è praticamente analogo (fig. 3).

Volumi utili delle vasche
La ricerca ha consentito di valutare l’efficacia offerta dalle vasche di prima pioggia per differenti valori del rapporto di diluizione dello scaricatore (compresi tra 2 e 6) e differenti volumi specifici della vasca. In particolare, la figura 4, che si riferisce a una vasca di cattura fuori linea, mostra che il controllo operato solo attraverso scaricatori di piena (volume della vasca pari a zero) dimensionati con i criteri convenzionali è assolutamente inadeguato. D’altro canto, si osserva che per volumi della vasca minori di 40¸50 m³ per ha_imp, la riduzione del carico inquinante scaricato varia sensibilmente al variare del volume specifico della vasca, mentre per volumi superiori, l’incremento di beneficio ambientale diventa del tutto marginale all’aumentare della dimensione della vasca. Si riconosce, pertanto, la non convenienza ad adottare volumi di invaso superiori a 100 m³ per ha_imp.

Modalità di svuotamento delle vasche
Uno studio condotto sempre con riferimento ad un anno di eventi meteorici registrati al pluviografo di Cascina Scala a Pavia, ha consentito di confrontare l’efficacia offerta da vasche di prima pioggia di cattura con differente modalità di svuotamento: in continuo e ad intermittenza. Per lo svuotamento intermittente sono stati analizzati sia il caso in cui lo svuotamento, una volta attivato, prosegue fino al completo esaurimento del volume accumulato, sia il caso in cui lo svuotamento si interrompe temporaneamente se il deflusso meteorico ritorna diverso da zero.
La figura 5 mostra, a titolo di esempio, l’andamento delle percentuali di volume e di massa annui intercettati ed inviati alla depurazione, al variare del volume specifico della vasca e della modalità di svuotamento per una portata specifica di svuotamento di 1 l/s per ha_imp. I calcoli per lo svuotamento intermittente sono stati effettuati per diversi valori dell’intervallo di tempo DT_E, misurato a partire dall’ultimo annullamento della portata di monte, entro il quale la vasca si svuota e superato il quale un nuovo evento meteorico è considerato distinto dal precedente, richiedendo conseguentemente l’intercettazione delle sue acque di prima pioggia  (24, 48 e 96 h). Dai grafici emerge chiaramente che, a parità di volume specifico della vasca, lo svuotamento in continuo invia verso valle una frazione più consistente di volumi e di masse inquinanti rispetto ai due svuotamenti ad intermittenza. Ad esempio, una vasca di 25 m³ per ha_imp convoglia verso la depurazione il 33% del volume di acque meteoriche di dilavamento e il 69% della massa di SST dilavata se lo svuotamento avviene in continuo, mentre, se lo svuotamento è intermittente con interruzione, intercetta l’11% del volume e il 49% della massa per DT_E =24 ore, l’8% dei volumi e il 39% della massa per DT_E =48 ore, il 6% dei volumi e il 32% della massa per DT_E =96 ore. A parità di DT_E, le curve dei volumi intercettati sono prossime per le due modalità di svuotamento intermittente. Le simulazioni effettuate mostrano che il 70% della massa inquinante annua può essere intercettato mediante una vasca di 25 m³ per ha_imp se lo svuotamento è continuo, mediante una vasca di 50 m³/ha_imp se è intermittente con DT_E = 24 ore, mediante una vasca di 75 m³ per ha_imp se è intermittente con DT_E = 48 ore; se invece lo svuotamento è intermittente con DT_E = 96 ore, questo obiettivo non può essere conseguito neppure utilizzando una vasca con volume specifico di 100 m³ per ha_imp. Le simulazioni hanno anche mostrato che le percentuali di volume e di massa specifici annui intercettati sono quasi indipendenti dalla portata di svuotamento per volumi specifici della vasca di 25-50 m³ per ha_imp, mentre crescono leggermente all’aumentare della portata di svuotamento per volumi superiori.

Conclusioni
Le ricerche descritte consentono di trarre alcune conclusioni che possono utilmente informare la progettazione dei sistemi fognari e degli interventi strutturali di controllo qualitativo dei deflussi meteorici. Va innanzitutto sottolineato che ai fini di un’efficace tutela ambientale dei corsi d’acqua, il sistema separato con scarico libero delle acque meteoriche presenta prestazioni inferiori rispetto al sistema unitario con controllo attuato mediante semplici scaricatori di piena. Questo tipo di controllo, indipendentemente dal sistema fognario in cui è applicato, è comunque inadeguato per perseguire una significativa riduzione del carico inquinante scaricato in tempo di pioggia, a meno di non ricorrere a valori della portata di inizio sfioro decisamente elevati, incompatibili con le tradizionali capacità di trattamento degli impianti di depurazione. Solo l’abbinamento di vasche di prima pioggia agli scaricatori di piena consente una significativa riduzione dell’impatto sul ricettore. Con questi presidi, l’impatto sul ricettore è pressoché identico tra sistemi unitari e separati dotati di attrezzature analoghe; ne consegue che gli aspetti relativi ad una migliore tutela ambientale non possono costituire un argomento determinante nella scelta fra i due diversi sistemi fognari.
Per quanto riguarda le possibili scelte circa l’inserimento delle vasche nell’ambito della fognatura, l’efficacia delle vasche in linea e di quelle fuori linea è, a parità di volume, sostanzialmente analoga. Decisamente superiore è, invece, il rendimento offerto dalle vasche di cattura, rispetto a quelle di transito.
È emerso che il valore ottimale da assegnare alle vasche è nell’intervallo 35¸50 m³/h_aimp; la scelta all’interno di questi valori è legata al beneficio che si intende conseguire e ai valori adottati per la portata di inizio sfioro dello scaricatore di piena accoppiato alla vasca (nelle vasche fuori linea) o della portata massima controllata dalla bocca di efflusso (nelle vasche in linea).
La ricerca poi ha mostrato che la scelta tra le possibili modalità di svuotamento condiziona in modo rilevante l’efficacia della vasca e gli aspetti economici connessi con il risanamento ambientale. Le simulazioni condotte mostrano che, a parità di beneficio ambientale, una vasca con svuotamento in continuo convoglia alla depurazione un volume di acque meteoriche alquanto maggiore di quello convogliato da una vasca fuori linea con svuotamento intermittente e quindi comporta maggiori oneri gestionali dell’impianto di trattamento. D’altra parte, lo svuotamento in continuo consente di conseguire lo stesso beneficio ambientale di quello ad intermittenza con un volume specifico della vasca più contenuto e quindi con oneri di investimento minori. Per i sistemi con svuotamento intermittente, la portata di svuotamento non condiziona in modo significativo l’efficacia della vasca, che invece risente in modo rilevante del valore dell’intervallo di tempo (DT_E) di assenza di precipitazione superato il quale un nuovo evento meteorico è considerato distinto dal precedente, richiedendo l’intercettazione delle sue acque di prima pioggia. I risultati delle simulazioni evidenziano che, all’aumentare del valore di questo intervallo di tempo, il raggiungimento di determinati obiettivi ambientali richiede valori alquanto maggiori del volume specifico della vasca. I risultati ottenuti mostrano, in particolare, che non è opportuno aumentare il valore di DT_E oltre le 48 ore, poiché non sarebbe possibile conseguire consistenti rendimenti sulle masse intercettate neppure con vasche di volume specifico molto elevato; peraltro, il beneficio conseguibile in termini di minor volume trattato è modesto in termini assoluti. I risultati delle simulazioni mostrano inoltre che l’interruzione dello svuotamento, qualora intervenga un evento meteorico, non altera sensibilmente l’efficacia della vasca rispetto alla situazione di svuotamento senza interruzione.
Infine, va sottolineato che tutte le considerazioni relative all’efficacia delle vasche al variare delle loro dimensioni e delle modalità del loro svuotamento hanno validità solo nei casi in cui la portata di svuotamento della vasca, in aggiunta eventualmente a quella derivata dallo scaricatore di piena, venga conferita direttamente all’impianto di depurazione o ad una fognatura nera collegata all’impianto stesso.
Quando, invece, le acque meteoriche intercettate dal sistema scaricatore-vasca vengono inviate alla depurazione attraverso un sistema fognario unitario, che ne consente la miscelazione con altre portate meteoriche confluenti in fognatura a valle della vasca e il conseguente possibile scarico nel ricettore, l’efficacia della vasca può essere quantificata solo con una valutazione globale che prenda in esame il funzionamento dell’intero sistema fognario.                                          

di Carlo Ciaponi, Sergio Papiri e Sara Todeschini

Carlo Ciaponi
ciaponi@unipv.it
È professore ordinario di Costruzioni Idrauliche presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pavia dove svolge attività di ricerca in diversi ambiti delle infrastrutture idrauliche, con particolare riferimento ai sistemi di distribuzione idrica e ai sistemi di drenaggio urbano.

Sergio Papiri
papiri@unipv.it
È professore associato di Costruzioni Idrauliche presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pavia dove svolge attività di ricerca in diversi ambiti delle infrastrutture idrauliche, con particolare riferimento ai sistemi di drenaggio urbano e alla gestione delle acque meteoriche di dilavamento.

Sara Todeschini
sara.todeschini@unipv.it
È ricercatrice nel settore Costruzioni Idrauliche e Idrologia presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pavia dove svolge attività di ricerca in filoni differenti dell’idrologia urbana, con particolare riferimento alla qualità e al controllo delle acque meteoriche di dilavamento.