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Tecniche innovative e sostenibili di progettazione idraulica per una ‘smart city’

Brescia, 11 dicembre 2015

RIDUZIONE DELLE MASSIME PORTATE CIRCOLANTI ATTRAVERSO OPERE DI LAMINAZIONE

Giovanna GrossiDICATAM – Università di Brescia

PREMESSA

Lo sviluppo dell’urbanizzazione è la causa principale delle

crisi idrauliche dei sistemi fognari e dei loro ricettori.

Opere di difesa → vasche di laminazione per ridurre la

portata al colmo di un’onda di piena.

Schema semplificato di funzionamento di una vasca di laminazionehttp://www.caprari.com/cms-web/upl/doc/PDF_prodotto/Vasche%20di%20prima%20pioggia.pdf

TIPOLOGIE DI INVASI DI LAMINAZIONE

Vasche volano di notevoli dimensioni Quasi sempre separate dalla rete


The Linnaeus Canal looks like this most of the time. Author and source: Växjö municipality


The Linnaeus Canal after the rainfall event


INVASI A CIELO APERTO

Bacino di raccolta non permanente

(bacino asciutto)

Bacino di raccolta permanente

(bacino umido)

http://www.altolura.it/incorso.aspx

http://www.webingegneria.it/calcolo/help/vasca_volano_help.html


The shape of the square was changed to a concave and green design, which can contain large volumes of water that are drained away to the harbour (Copenhagen). Author: Birgit Georgi (EEA)


INVASI A CHIUSI INTERRATI

Rispetto agli invasi a cielo aperto, sono di facile inserimento in contesti altamenti

urbanizzati dove la disponibilità di spazio è scarsa.

http://www.edilportale.com/prodotti/geoplast/vasca-cisterna-e-serbatoio-per-opera-idraulica/nuovo-elevetor-tank_10991.html

http://www.hellopro.it/EDIL_IMPIANTI_Srl-11593-noprofil-2001617-25875-0-1-1-fr-societe.html

INQUADRAMENTO NORMATIVO

REGIONE LOMBARDIA

PROPOSTA DI PROGETTO DI LEGGE ”REVISIONE DELLA NORMATIVA

REGIONALE IN MATERIA DI DIFESA DEL SUOLO E DI GESTIONE DEI CORSI

D’ACQUA”

(Deliberazione n° X/3926 – Seduta del 31/07/2015)

«…gli strumenti urbanistici e i regolamenti edilizi comunali recepiscono il principio di invarianza idraulica e idrologica per le trasformazioni di uso del suolo…» [Art. 7]

Rispetto del principio di invarianza idraulica e idrologica

Applicazione dei principi e dei metodi del drenaggio urbano sostenibile

NORME IN MATERIA AMBIENTALE

(Decreto Legislativo 3 aprile 2006, n. 152)

Le attività di programmazione, di pianificazione e di attuazione degli interventi destinati a realizzare le finalità di cui all’articolo 53 riguardano, ferme restando le competenze e le attività istituzionali proprie del Servizio nazionale di protezione civile, in particolare:….c) la moderazione delle piene, anche mediante serbatoi d’invaso, vasche di laminazione, casse di espansione, scaricatori, scolmatori, diversivi o altro, per la difesa dalle inondazioni e dagli allagamenti;…» [Art. 56]


REGIONE LOMBARDIA

PROGRAMMA DI TUTELA E USO DELLE ACQUE (Norme Tecniche di Attuazione)

(L.R. 12 dicembre 2003 n. 26, art. 45, comma 3 - D.Lgs. 11 maggio 1999, n. 152, art. 44, Titolo IV, Capo I)

- Aree di ampliamento , di espansione residenziale o riguardanti attività commerciali o di produzione di beni :dove non è possibile il totale smaltimento in loco delle acque dei tetti e delle superfici impermeabilizzate, è da prevedere lo smaltimento di tali acque tramite rete fognaria che, nel caso in cui afferisca alle reti di valle, il contributo di portata meteorica è da limitare (eventualmente mediante l’adozione di vasche volano) entro il valore massimo di 20 l/s per ogni ettaro di superficie scolante impermeabile.

- Limitazione delle portate meteoriche recapitate nei ricettori mediante vasche volano:per determinate aree fognate saranno rispettati i seguenti limiti:20 l/s per ogni ettaro di superficie scolante impermeabile relativamente alle aree di ampliamento e di espansione residenziale o riguardanti attività commerciali o di produzione di beni;40 l/s per ogni ettaro di superficie scolante impermeabile relativamente alle aree già dotate di rete fognaria.

Regolamento Regionale del 24 marzo 2006 n.2 cita: … i progetti di nuova edificazione e gli interventi di recupero del patrimonio edilizio esistente, prevedono, per usi diversi dal consumo umano, l’adozione di sistemi di

captazione, filtro e accumulo delle acque meteoriche provenienti dalle coperture degli edifici, nonché la realizzazione, ove possibile, di vasche di invaso possibilmente interrate


REGIONE EMILIA-ROMAGNA

DIRETTIVA CONCERNENTE LA GESTIONE DELLE ACQUE DI PRIMA PIOGGIA E DI

LAVAGGIO DA AREE ESTERNE (art. 39 – D.Lgs. 11 maggio 1999 n. 152)

(Deliberazione della Giunta regionale 14 febbraio 2005 n. 286)

Aree a destinazione residenziale (non ancora urbanizzate):dove non è possibile il totale smaltimento in loco delle acque dei tetti e delle superfici impermeabilizzate, è da prevedere lo smaltimento di tali acque tramite fognatura e, nel caso in cui recapiti nella rete fognaria (pubblica) dell’agglomerato, si deve considerare un contributo di portata meteorica limitato (eventualmente mediante l’adozione di «vasche volano»)ad un valore tale da non richiedere la ricostruzione della rete fognaria ed, in ogni caso, contenuto entro il limite massimo definito dal gestore del servizio idrico integrato.[Punto 3.5 dell’Allegato]


REGIONE VENETO

L. 3 AGOSTO 1998, N. 267 – INDIVIDUAZIONE E PERIMETRAZIONE DELLE AREE A RISCHIO

IDRAULICO E IDROGEOLOGICO. NUOVE INDICAZIONI PER LA FORMAZIONE DEGLI

STRUMENTI URBANISTICI.

(Deliberazione della Giunta regionale 10 maggio 2006 n. 1322)

Ogni progetto di trasformazione di uso del suolo che provochi una variazione di permeabilità superficiale

Misure compensative per rispettare il principio dell’invarianza idraulica(volumi d’invaso che consentano la laminazione delle piene)


COMUNE DI GENOVA

PIANO URBANISTICO COMUNALE 2015 (PUC) PROGETTO DEFINITIVO – NORME GENERALI

«…Qualora indispensabile, la vasca di laminazione deve essere dimensionata per contenere per 30 minuti una pioggia avente intensità pari a 60 mm in 30 minuti cui corrisponde un deflusso istantaneo pari a 333,33 l/sec per ettaro e deve essere dotata di scarico di fondo e di scarico di troppo pieno…» [Art. 14 – punto 3]

COMUNE DI TRENTODIMENSIONAMENTO DI MASSIMA DI UNA VASCA DI LAMINAZIONE SUL TERRITORIO DEL

COMUNE DI TRENTO


COMUNE DI TORINO

”NORME IN MATERIA DI DIFESA DEL SUOLO”

(Relazione DS6 dell’Allegato 1 alla Variante al Piano Territoriale di Coordinamento Provinciale-PTC2

approvato dalla Regione Piemonte con Deliberazione del Consiglio Regionale n.121-29759 del

21/07/2011, pubblicato sul B.U.R. n.32 del 11/08/2011)

Interventi di nuova urbanizzazione e di trasformazione urbanistica

Si applica il principio dell’invarianza idraulica

VASCHE DI LAMINAZIONE

METODO DI DIMENSIONAMENTO VASCA DI LAMINAZIONE:

• TR=50 anni

• Parametri di pioggia per definire lo ietogramma di progetto: dedotti dal sistema VAPI della Regione Piemonte

• Calcolo delle perdite idrologiche attraverso standard metodologici

• Calcolo della portata di piena attraverso un modello di trasformazione afflussi-deflussi

Metodo applicato nelle situazioni «ante-operam» e «post-operam»

Dimensiono la vasca di laminazione confrontando le due situazioni

RAPPRESENTAZIONE MATEMATICA DELLA LAMINAZIONE

Fattori che influiscono sull’effetto di laminazione:

• massimo volume contenibile nella vasca

• geometria della vasca

• organi di scarico della vasca

UNICA INCOGNITA: VOLUME DA ASSEGNARE ALLA VASCA

DEFINITA A PRIORI

DEFINITI A PRIORI

RAPPRESENTAZIONE MATEMATICA DELLA LAMINAZIONE

Equazioni che governano il fenomeno della laminazione:

1) Equazione di continuità della vasca

2) Legame geometrico tra il volume invasato (W) ed il

livello idrico (h)

3) Legge di efflusso che governa l’uscita dalla vasca

LEGGI DI EFFLUSSO DALLA VASCA

LUCE A BATTENTE [Sinninger e Hager, 1989]

http://www.valentiniweb.com/Piermo/meccanica/idraulica/08-03_Vasche%20volano.pdf


LEGGI DI EFFLUSSO DALLA VASCA

LUCE A STRAMAZZO

Stramazzo Bazin:

Stramazzo in parete grossa:

http://www.oppo.it/calcoli/stramazzo/calcolo_bocca_stramazzo_sottile.html

http://www.oppo.it/calcoli/stramazzo/calcolo_bocca_stramazzo_grossa.html

RAPPORTO DI LAMINAZIONE E FORMULA DI MARONE (1971)

Rapporto di laminazione:

Laminazione ottimale

Dispositivo di sbocco: stramazzo

Paoletti, 1996. «Sistemi di fognature e drenaggio»

METODI PRATICI DI DIMENSIONAMENTO DELLE VASCHE VOLANO

Ipotesi semplificative sull’onda di piena qe(t) in ingresso

Ipotesi semplificative sulle leggi di efflusso qu(t) in uscita

DURATA DI

PIOGGIA CRITICA

PER UNA VASCA

(θw)

DURATA DI PIOGGIA

CRITICA PER LA RETE

DI DEFLUSSO

(θ c)

≠


METODO DELL’INVASO [Paoletti e Rege Gianas, 1979]

Onda di piena (metodo dell’invaso linare)

Volume da

invasare (W)

Ipotesi:



ϑϑ

d

dW )(



W può essere così scritta:


METODO DI CORRIVAZIONE [Alfonsi ed Orsi, 1987]

Ipotesi:

Curva aree-tempi lineare

ϑϑ

d

dW )(


METODO DI CORRIVAZIONE [Alfonsi ed Orsi, 1987]


METODO DELLE SOLE PIOGGE

Ipotesi:

Trascura trasformazione afflussi-deflussi

Sovrastima Wmax

Qu=Qu, max=cost

Becciu e Paoletti, 2004. “Esercitazioni di costruzioni idrauliche”

ϑϑ

d

dW )(

LIMITI DEI METODI PRATICI DI DIMENSIONAMENTO

Laminazione ottimale Regolatori di flusso a portata variabile

Pioggia costante Ietogrammi variabili

Evento singolo Possibilità di pre-riempimento

Vasca semplice Vasche multi-camera

CON I METODI PRATICI SI OTTIENE UN PRIMO ORDINE DI GRANDEZZA DELLE DIMENSIONI DELLA VASCA.IL DIMENSIONAMENTO DEFINITIVO DEVE ESSERE CONSEGUITO CON LE EQUAZIONI CHE GOVERNANO IL FENOMENO DELLA LAMINAZIONE, ATTRAVERSO UNA SIMULAZIONE CONTINUA.

Simulazione della laminazione

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85

pt [m3/s]

qu[m3/s]

Un dato ogni 2 minh lorda [mm] t [s] pn [m3/s] pt [m3/s] qu[m3/s] Dw[m3] Dh[m] h[m]

0 0 0 0 0 0.014 0 0 0 01 0.033333 0.126 120 0.003352 0.017352 0 1.881096 0.023514 0.0235142 0.066667 0.379 240 0.010081 0.024081 0.001194 2.414336 0.030179 0.0536933 0.1 0.631 360 0.016785 0.030785 0.004728 2.936629 0.036708 0.0904014 0.133333 0.884 480 0.023514 0.037514 0.011266 3.138277 0.039228 0.1296295 0.166667 1.136 600 0.030218 0.044218 0.008748 3.703079 0.046288 0.1759186 0.2 1.389 720 0.036947 0.050947 0.011287 4.507819 0.056348 0.232265

SIMULAZIONE CONTINUA ATTRAVERSO SWMM (EPA Storm Water Management Model)

• SWMM modella in termini (qualitativi) e quantitativi tutti i processi che si innescano nel ciclo idrologico e nel sistema di drenaggio urbano;

• SWMM è un software di modellazione per reti di fognature urbane, ma può essere applicato anche nel caso di canali aperti;

• SWMM compie calcoli e simulazioni di tipo idraulico su una rete di canali o condotte e suoi manufatti, sollecitata da fenomeni meteorici o da ingressi di natura diversa.

VASCA VOLANO E SUA BOCCA DI USCITA: manufatti idraulici da schematizzare ed implementare in SWMM

http://www.epa.gov/water-research/storm-water-management-model-swmm

• SWMM si utilizza sia per simulare un evento singolo, sia per fare delle simulazioni continue con ietogrammi storici e/o sintetici;

Lodz, Polonia

1. tempo asciutto minimo IETD

2. soglia prefissata IA

Volume d’evento v

Durata tempo di pioggia t

Tempo asciutto di interevento b

Rappresentazione stocastica del processo di pioggia

ζ=1/µ(v) con µ(v) volume medio specifico di un evento (altezza di pioggia)

λ=1/ µ(t) con µ(t) durata media dell'evento

ψ=1/ µ(b) con µ(b) tempo medio di inter-evento

vV evf ⋅−⋅= ζζ)(

tT etf ⋅−⋅= λλ)(

bB ebf ⋅−⋅= ψψ)(

Ipotesi semplificative

Volume di deflusso supeficiale Volume di stoccaggio

Portata di picco in ingresso

Portata di picco laminata

1

10

100

1000

1 10 100T [anni]

Qp

o [m

3 /s]

1

10

100

1000

1 10 100T [anni]

Qp

i [m

3 /s]

MP MAP SC IES SC AMS

IETD = 48 h

IA = 17 mm

IETD = 4 h

IA = 17 mm

CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE

� Inserimento urbanistico- paesaggistico (-ricreativo)

� Manutenzione e controllo

� Nuovi

insediamenti

Invarianza idraulica Opere di laminazione

� Metodi pratici di dimensionamento + simulazione continua

� Valutazione di efficienza e peculiarità dei singoli interventi

BRESCIA

Periodo: 45 anni (1949÷1993)

Intervallo di registrazione:

30 minuti

Precipitazione media annua:

920 mm

Clima: Sub-litoraneo alpino

Serie di precipitazione disponibile

y = 57.262x0.2841

R2 = 0.9641

y = 42.676x0.2941

R2 = 0.9711

y = 26.047x0.3181

R2 = 0.9823

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30

d [h]

h [m

m]

RAPPRESENTAZIONE DELLE PIOGGE

LSPP h=adn

Caratteristiche idrologiche del bacino

• Area contribuente: 43,18 km2

• Lunghezza dell’asta fluviale: 17 km• Variazione massima: 1000 m• Tempo di corrivazione: 3,6 h• CN = 75 (Natale, 1994)• Volume= 200000 m3

Taccolini & Bacchi, 2001

VASCHE VOLANO MULTI-CAMERA

VANTAGGI DELLE VASCHE MULTI-CAMERA:1) I settori della vasca si invasano per tempi

di ritorno crescenti;

2) operazioni di controllo , manutenzione ordinaria e lavaggio riguardano solo i settori della vasca funzionanti;

3) minori problemi legati alla sedimentazione di eventuali sostanze solide;

4) acque più limpide.

PERCHÉ SUDDIVIDERE LA VASCA IN PIÙ SETTORI?Le vasche volano non devono essere sottodimensionate per non ridurre l’effetto di laminazione (T=50-100 anni).Tuttavia tali vasche si riempiono totalmente solo in occasioni eccezionali di eventi estremi, mentre durante la maggior parte degli eventi il loro volume d’invaso viene utilizzato solo in parte.



METODO DELL’INVASO [Moriggi e Zampiglione, 1978]

Ieto

gram

ma

di p

roge

tto

Forma dello ietogramma:Chicago durata 7 h

Perdite idrologiche:CN-SCS medio 75

Area reduction factor: Moisello Papiri

Altezza lorda

n=0.33

T (anni) 10 20 50 100

aT 41.59 47.31 54.71 60.26


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10Tempo (h)

Por

tata

(m

3 /s)

EntranteLaminata

Idro

gram

ma

di p

roge

ttoModello di convoluzione: NASHn = 2k = 0.7 h

Idrogrammi in ingresso e laminato

T (anni) 10 20 50 100

Qpi (m3/s) 52 67 95 114

74 m3/s

( )( ) ( )1112 −−−−

=nn

c

en

ntk

Γ


App

rocc

io c

ontin

uo 1

/2IETD (h) 3 6 12 24 48

IA (mm) 15 20 15 20 15 20 15 20 15 20

β (/) 0,94 0,89 0,91 0,87 0,91 0,87 0,91 0,91 0,93 0,93

ζ (mm) 14,0 14,1 15,8 15,8 18,0 18,3 21,9 23,1 29,8 30,8

λ (h) 12,9 14,0 19,1 20,8 28,4 31,1 47,2 52,1 93,4 103,0

θp (n/anno) 17,9 12,3 19,6 14,1 20,3 15,1 19,9 15,4 17,9 14,8

( )QQ FT

−=

1

1

θ

QFT

'1

1

−=

Calibrazione dei parametri delle distribuzioni

Analisi statistica degli idrogrammi simulati

IETD legato ai tempi di risposta del bacino:• Portate in ingresso: tempo di corrivazione (4 h);• Portate laminate: somma del tempo di corrivazione e di quello

medio di svuotamento (48 h).IA determinato a partire dal valore stimato per il CN

Statistica dei singoli eventi indipendenti IES (Individual Event Statistics), richiede la determinazione del numero medio annuo di piene θQ

Statistica dei massimi annuali AMS (Annual Maximum Statistics)

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