Dimensionamento di stazioni di sollevamento in fognatura

Ing. Matteo BALISTROCCHI

Corso di Formazione “Pompaggio nei sistemi di fognatura”

5 novembre 2015

(modificato da Da Deppo & Datei, 2009)

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Il collettamento delle acque reflue mediante una rete interamente agravità può dimostrarsi tecnicamente poco efficace se non impossibilea causa di:� quote delle reti inferiori a quelle del corpo ricettore� necessità di effettuare scavi di profondità eccessiva� falda freatica superficiale� invaso in vasche di laminazione o prima pioggia

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Tali problematiche sono diventate via via più rilevanti nel corso degliultimi decenni in considerazione delle crescenti necessità di tutelaambientale, ovvero, di controllo e riduzione degli scarichi.

Le reti fognarie concepite come insieme di piccole reti disgiunte chescaricavano nel corpo idrico ricettore più vicino, sono stateinterconnesse in modo da intercettare gli scarichi ed avviarli ad idoneiimpianti di depurazione.

Ciò ha reso necessario realizzare collettori di grandi dimensioni aiquali è demandato il compito di conferire i liquami anche a significativedistanze.

(modificato da CSDU, 1997)

CircumlacualeRete a pettine

� Stima delle portate di progetto (entrante Qe, uscente Qu)

� Calcolo della prevalenza richiesta Hp

� Scelta del numero e della tipologia delle pompe

� Stima del volume da attribuire alla vasca di accumulo V

� Definizione della geometria della vasca

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La progettazione di una stazione di sollevamento rendenecessaria l’adozione di varie scelte progettuali:

(modificato da Da Deppo e Datei, 2009)

V QeQe

QuQu

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Le portate in ingresso alla stazione di sollevamento sono legate allatipologia della rete fognaria a monte:� Fognatura separata

- Acque nere- Acque meteoriche

� Fognatura unitaria- Acque nere ed acque meteoriche (miste)

� Fognatura separata con vasche di prima pioggia- Acque nere ed acque di prima pioggia- Acque meteoriche di seconda pioggia

Nel calcolo del volume del pozzetto e nella scelta delle pompe siipotizza, per semplicità, che la portata entrante sia costante e pari almassimo atteso: portata di punta del giorno di massimo consumo(acque nere), portata critica per fissato tempo di ritorno (acquemeteoriche).

Di difficile valutazione, ma talvolta non trascurabile, può essere ilcontributo di acque parassite, dovute a:� Infiltrazione dalla falda freatica� Allacci erronei o abusivi di canali pluviali alla fognatura nera

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ACQUE NERELa portata media annua associata alle acque nere può essere stimata inragione dei fabbisogni idrici o, se disponibili, dei dati di consumo idrico.

È bene ricordare che i consumi idrici, infatti, sono in generale diversi daifabbisogni.

Si definisce fabbisogno idrico la stima della quantità di acqua necessariaa soddisfare la richiesta idrica degli utenti del servizio di acquedotto.

Oltre ad essere concettualmente diversi, bisogna tenere in considerazioneche il consumo risente anche delle perdite (reali od apparenti) della rete didistribuzione e degli errori di misurazione ai contatori.In generale si è osservato che in condizioni di scarsezza di risorsa idrica:

Consumo < Fabbisogno

Viceversa, in condizione di grande abbondanza si verifica:

Consumo >> Fabbisogno

Il consumo idrico è la misura della quantità di acqua effettivamenteerogata.

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ACQUE NEREI fattori che influenzano il fabbisogno sono peraltro innumerevoli:

� Tipologia di utilizzo (agricolo, industriale, domestico)

� Clima

� Costo della risorsa (ovvero politica tariffaria)

� Condizioni economiche dell’utente

� Usi e consuetudini

La stima del fabbisogno idrico è pertanto estremamente difficile, data laconsiderevole variabilità della combinazione di tutti questi fattori.Nella valutazione dei fabbisogni delle utenze domestiche molto spesso siammette che la dotazione idrica sia principalmente legata alla dimensionedemografica del centro abitato.

Questo è ragionevole se si pensa che tutti i fattori precedentementeelencati dipendono bene o male dalla grandezza del centro abitato.All’aumentare della popolazione aumentano infatti la quantità dei servizierogati, il tenore di vita degli utenti ed insorgono nuove tipologie di utenze.

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ACQUE NEREVolendo ragionare in termini di fabbisogni idrici si può stimare la portata media annuacome prodotto della dotazione idrica procapite DI per la popolazione allaccia futura P,applicando un coefficiente riduttivo α detto coefficiente di afflusso in fognatura.

��� � � ��86400 � � 0,80

Classe demografica Incremento DI [l/(ab d)]

< 5.000 60

5.000:10.000 80

10.000:50.000 100

50.000:100.000 120

> 100.000 140

Dotazione idrica definite in Lombardia in un’ottica di risparmio (PRRA Lomb., 2002).Fabbisogni potabili e sanitari: sono calcolati considerando, per ogni singolo comunea. popolazione residente:

- fabbisogno base: 200 l/(ab d)- incremento del fabbisogno base per l’incidenza dei consumi urbani e collettivi:

b. popolazione stabile non residente (ospiti di ospedali, caserme, collegi): 200 l/(ab d)c. popolazione fluttuante con pernottamento (alberghi, camping ...): 200 (l/ab d)d. popolazione senza pernottamento, compresi gli addetti: 80 l/(ab d)e. addetti dei futuri insediamenti ad uso lavorativo: 20 mc/(ha d)

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ACQUE NERE

Il calcolo della portata nera di punta si effettua sulla base delle portata nera mediaannua moltiplicando per due coefficienti: cofficiente del giorno di massimo consumo C24e del coefficiente di punta Cp.Entrambi normati dal PRRA Lombardia.

Classe demografica C24

< 50.000 1,50

50.000:100.000 1,40

100.000:300.000 1,30

> 300.000 1,25

C24 (PRRA Lombardia, 2002)

Classe demografica C24

< 50.000 1,50

50.000:100.000 1,40

100.000:300.000 1,35

> 300.000 1,30

Cp (PRRA Lombardia, 2002)

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ACQUE NERE

Principali dati sugli usi civili in Emilia Romagna (volumi in Mm3). Laprevisione sulla crescita della idrica indica un valore medio nella regionepari a 257 l/(ab d) per l’anno 2016.

(PTUA, Emilia Romagna 2006)

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ACQUE METEORICHELa portata critica per assegnato tempo di ritorno può essere stimata medianteinnumerevoli procedure. Una delle più comuni nella pratica idrologica italianaè la formula razionale, legata ad una concettualizzazione cinematica deiprocessi di trasformazione afflussi netti-deflussi superficiali, ed all’ipotesi chel’evento critico sia ad intensità costante e le perdite idrologiche sianopercentuali.

�� = ���� Α Φ r a �������

� Qc: portata critica (m3/s)� A: area contribuente (ha),� Φ: coefficiente medio d’afflusso (/),� r : coefficiente di ragguaglio (/);� a (mm/hn), n (/) parametri LSPP (funzione del tempo di ritorno)� tc: il tempo di corrivazione (h).

Il tempo di ritorno T nell’ambito della progettazione fognaria urbana puòessere assunto:

5 ÷ 10 anni

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ACQUE METEORICHE

Nella valutazione dell’area contribuente A non bisognerebbe dimenticare lacomponente extraurbana. Tuttavia sarebbe opportuno operare ladisconnessione tra la rete fognaria ed il reticolo minore.

Rovato 06/07/2010FONTE: Bresciaoggi

Torrente VallonaProvaglio d’Iseo

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ACQUE METEORICHE

Il coefficiente di afflusso è per sua natura una variabile aleatoria. Èpertanto opportuno quantomeno tenere in considerazione la crescitaall’aumentare della severità dell’evento meteorico.

( ) II impperm Φ+−Φ=Φ 1

T [anni] Φperm Φimp

< 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

CSDU, 1999

(ASCE, 1998)

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ACQUE METEORICHE

I coefficienti delle linee segnalatrici a ed n sono in generale funzione deltempo di ritorno, anche se molto spesso la dipendenza di n può esseretrascurata.

� � ���

Durate - Brevi Lunghe

Tempo di Ritorno [anni]

a n a n a n

5 35.31 0.31 37.38 0.52 38.14 0.27

10 41.78 0.30 44.42 0.52 45.36 0.26

20 47.98 0.30 51.17 0.53 52.30 0.26

50 56.01 0.29 59.91 0.53 61.28 0.25

100 62.03 0.29 66.46 0.54 68.01 0.25

Dati ITAS Pastori (45 anni)(Ranzi et al., 1999)

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ACQUE METEORICHE

La linea segnalatrice puntuale dovrebbe essere ragguagliata per tenerein considerazione la variabilità spaziale della precipitazione e stimare inmodo più corretto l’afflusso al bacino.

Formula Moisello – Papiri (Moisello Papiri,1999)

� � ��� � �����

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ACQUE METEORICHE

Il tempo di corrivazione del bacino individua la durata critica, ovvero ladurata della precipitazione (lorda) che massimizza la portata al colmodell’evento di piena per il fissato tempo di ritorno.

Dei diversi tempi di corrivazione che caratterizzano i vari punti del bacinoè necessario prendere il massimo.

Nell’ambito della progettazione fognaria si usa stimarlo come somma didue contributi:� Il tempo di ingresso in rete ti: tempo necessario alla precipitazione per

raggiungere il collettore scorrendo sulle superfici ed attraverso lecaditoie ed pluviali; ordine di grandezza ti = 5-10 min.

� Il tempo di rete tr: tempo necessario alla portata pluviale perpercorrere i canali sino alla sezione di calcolo:

�! � " #$1.5(!$$

Li = lunghezza dei canalivri = velocità di riempimento del canale i-esimo

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ACQUE PARASSITE

La componente delle acque parassite richiede necessariamente indaginiin sito ed è attualmente argomento di ricerca.In generale non è possibile stabilire l’effetto dell’urbanizzazionesull’evoluzione della superficie freatica, dato che questa puòcrescere/decrescere in relazione alle condizioni locali (Fletcher et al.2013).Quello che si è osservato in molte località della Pianura Padana in questianni è un innnalzamento conneso alla cessazione delle produzioniindustriali.

Romano di Lombardia (BG)

) � ∆�365 � ,�-�∆�3651000 η

� Fascia delle risorgive dell’altapianura

� Portate istantanee superiori di 10-15 volte rispetto a quelle teoriche

� Portate medie giornalieresuperiori sino ad 8-10 volterispetto a quelle teoriche

(Cesenni, 2011)

VO

LU

MI D

EL

LA

VA

SC

A

Volumi da definire:� Volume morto: al di sotto del livello di arresto delle pompe;� Volume utile: compreso tra il livello di attacco e quello di arresto;� Volume di riserva: tra il livello di attacco e quello massimo.

Il livello massimo ammissibile non deve creare rigurgiti in fognatura tali da comprometterne la funzionalità. Il rapporto di riempimento per il quale la fongatura è progettata deve essere rispettato.

0.60 < h/D < 0.70

ST

IMA

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L V

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TIL

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Potenza del motore

Installazionea secco

Installazione sommergibile

< 7.5 kw 15 30

< 30 kw 12 24

> 30 kw 10 20

Numero massimo ammissibile di avviamenti orari Z (h-1)

All’avviamento il motore elettrico delle pompe può essere caratterizzato da un

assorbimento elevato. Per assicurarne le durata, essendo il servizio

intermittente, è necessario limitare il numero di avviamenti orari Z. Un adeguato

intervallo di tempo tra due avviamenti successivi, consente di dissipare il calore

prodotto dalla corrente allo spunto.

Intallazione sommergibile a) a secco b) (modificato da CSDU, 1997)

a) b)

�. � �� ≅���0 1 ��$�2 � 345�

Portata uscente Qu in fase di funzionamento assunta costante e pari allaportata media Qm tra quella all’avvio Qi e quella all’arresto Qf, nulla incondizioni di arresto (m3/s)

Portata entrante assunta costante (portata di progetto fognatura Qpdipendente dal tipo di fognatura) (m3/s)

�6�� � �7 8 �.

Equazione di continuità relativa al volume d’invaso V (m3)

ST

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E

�. � 0

�7 � 345�

Fase di avvio della pompa Fase di arresto della pompa

ArrestoArresto

AvvioAvvio

Fase di avvio della pompa

Tv tempo di vuotamento del volumed’invasoV (NB Qm >Qp) (s)

69 8 6$ � �7 8 �. :�;

0 8 6 � �� 8 �� :�;

:; � 6�� 8 ��

Fase di arresto della pompa

69 8 6$ � �7 8 �. :�;

6 8 0 � ��:�;Tr tempo di riempimento del volumed’invasoV (s)

:! � 6��

Durata complessiva di un ciclo T (s)

: � :; 1 :; � <=>�=?

1 <=?

= <=>

=>�=? =?

Frequenza oraria Z (h-1)

Z � 3600:

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Variazione di T e Z in funzione del rapporto Qp/Qm per fissati valori di V/Qm

(modificato da Sanfilippo & Bianchi, 2001)

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� � ����

α

: � <A ��A =>

Si osserva coma Z sia massimo quando

� � ����

� 0.5

Al fine di massimizzare in numero di attacchi/stacchi orari (e quindi di minimizzare il volume utile d’invaso) si impone:

�� � 2��Sostituendo questa condizione si ricava dopo alcuni passaggi algebrici che:

6 � 900��C6 � 900��C

con V (m3), Z (h-1) e Qm (m3/s)

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EP

OM

PE

IN P

AR

AL

LE

LO

Sequenza 1

• Le pompe avviano quando il livello nella vasca supera quello di arresto di

quella che opera al livello superiore;

• Le pompe staccano quando il livello nella vasca scende al di sotto del livello

di avviamento della pompa a cui compete la porzione di volume utile

inferiore.

Vantaggio: consente di ottenere un andamento della portata sollevata il più

prossimo possibile a quello della portata in ingresso.

Svantaggio: richiede volumi utili complessivamente maggiori.

(modificato Da Deppo & Datei, 2009)

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EP

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Sequenza 1

Nel caso in cui vi sia una sola pompa: Qp = α1 Qm1 con 0 < α1 < 1 e Qp < Qm1

:;� � 6���� 8 ��

:!� � 6���

:� � 6������ 1 8 ��

Nel caso in cui vi siano due pompe: Qp = Qm1 +α2 Qm2 con 0 < α2 < 1 e

Qm1 < Qp < Qm1 + Qm2

:;� � 6���� 1 ��� 8 ��

:!� � 6��� 8 ���

:� � 6������ 1 8 ��

Minimizzando T1 e T2 si ottiene: α1 = α2 = 0.5

Generalizzando il volume associato alla pompa k-esima di portata Qk e tempo di

ciclo Tk si ottiene:

6D � :D �E4

6 � " :D �E4D

Il volume utile V è quindi dato dalla somma di tutti i contributi:

Sequenza 2

• I livelli di avviamento sono progressivamente crescenti;

• Esiste un unico livello di arresto in corrispondenza del livello minimo che

delimita il volume morto;

• Le pompe staccano tutte contemporaneamente quando il livello nella vasca

raggiunge il livello di arresto.

Vantaggio: richiede volumi utili complessivamente minori.

Svantaggio: l’andamento della portata sollevata risulta più discontinuo rispetto a

quello della portata in ingresso.

(modificato Da Deppo & Datei, 2009)

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Sequenza 2

Nel caso in cui vi sia una sola pompa: Qp < Qm1 :� � 6�4���

Nel caso in cui vi siano due pompe: Qp < Qm1 + Qm2 e Qp = Qm1 + α2 Qm2

:� � :!� 1 :!� 1 :;�F;� � 6���

1 6��� 8 ���

1 6� 1 6���� 1 ��� 8 ��

(Sanfilippo & Bianchi, 2001)

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IN P

AR

AL

LE

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Il confronto tra i volumi richiesti dalla sequenza 1 e dalla sequenza 2 evidenzia

come quest’ultima porti a volumi significativamente minori (caso pompe tutte

uguali Qk = Q1 e Tk = T1

L’adozione della sequenza 2 all’aumentare del numero di pompe, ma

mantenendo la portata complessivamente sollevata costante (frazionamento

della portata sollevata), riduce il volume utile richiesto.

Vantaggio ulteriore si ha per la pompa (le pompe) di riserva.

(Da Deppo & Datei, 2009)

(modificato da CSDU, 1997)

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Schema d’impianto con condotta di alimentazione frontale con salto.

(modificato Da Deppo & Datei, 2009)

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Schema d’impianto con condotta di alimentazione laterale sopraelevata.

Schema d’impianto con condotta di alimentazione laterale sul fondo.

Schema d’impianto con condotta di alimentazione frontale sul fondo.

(modificati Da Deppo & Datei, 2009)

BIB

LIO

GR

AF

IA• Cesenni A, Acque parassite nelle reti di drenaggio urbano controllo e

gestione: il caso di Romano di Lombardia, Tesi di Laurea, Università diBrescia, 2011.

• Da Deppo L., Datei C., Fognature, Editrice Cortina, Padova, 2009.

• Fletcher TD, Andrieu H, Hamel P, Understanding, management andmodelling of urban hydrology and its consequences for receivingwaters: A state of the art, Advances in Water Resouces, 51, 261-279,2013.

• CDSU Sistemi di Fognatura. Manuale di Progettazione, S. Artina, G.Calenda, F. Calomino, G. La Loggia, C. Modica, A. Paoletti, S. Papiri,G. Rasulo, P. Veltri (a cura di), HOEPLI, Milano, 1997.

• Sanfilippo U., Bianchi A., Pompe e impianti di sollevamento, Hoepli,Milano, 2001.

• Ranzi R, Mariani M, Rossini E, Bacchi B. Analisi e sintesi delle pioggeintense del territorio bresciano. Brescia (IT): DICATAM, University ofBrescia; 1999; Technical Report n° 12.

• Rosso R., Sanfilippo U., Giornale dell’Ingegnere, 2012.