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Ricerca di metodologie avanzate per l’individuazione delle acque parassite nelle reti fognarie

I fenomeni di infiltrazione ed exfiltrazione (spandimenti) nelle reti di fognatura sono la conseguenza del cattivo stato di reti di fognatura e si manifestano quando la struttura fognaria perde la sua impermeabilità favorendo le perdite e/o l’ingresso di acqua dal e nel sistema di collettamento. Si determina così diretta ed indiretta una contaminazione dell’ambiente idrico urbano sia superficiale che profondo, nonché problemi gestionali della rete di fognatura e degli impianti di depurazione e aumento dei costi energetici. Il progetto finanziato ai sensi della Legge regionale 47/1978, capo VII, articolo 21, comma 1 lett. a), b) e c) del Friuli Venezia Giulia e sviluppato in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria e Architettura dell’Università degli Studi di Trieste si è posto come obiettivo finale la delineazione di una metodologia ottimale per la gestione quantitativa e qualitativa delle reti fognarie in condizioni di tempo secco.

Con la nuova gestione del ciclo idrico integrato, che ha visto nel recente passato il passaggio di gestione dalle singole realtà comunali a società di servizi pubbliche o private, tale esigenza si è fortemente palesata in quanto oltre a rispondere alle prescrizioni normative (vedi autorizzazioni allo scarico concesse dalle Province) permette di ottimizzare i costi di gestione. Le problematiche che nello specifico sono state analizzate sono legate all’individuazione delle acque parassite nelle reti fognarie. In funzione del fatto che la rete sia di natura separata o mista, l’acqua parassita può essere individuata come infiltrazioni in rete di acqua di falda o acque provenienti dal reticolo idrico superficiale (reti miste o separate) o ingresso di acque meteoriche (caso di reti nere dedicate quindi al convogliamento del solo refluo civile o industriale). In ambito legislativo e normativo i riferimenti sono: la Direttiva 91/271/CE concernente la raccolta, il trattamento e lo scarico delle acque reflue urbane e quelle originate da taluni settori industriali; il D.Lgs 152/99 e successivi aggiornamenti riguardo alla attenzione da porre nei confronti dei fenomeni di infiltrazione ed exfiltrazione; il D.M. 99/97 per la misura delle perdite dalla rete; la Direttiva 2000/60/CE che istituisce un quadro per l’azione comunitaria in materia di acque; il D.Lgs. 152/2006 concernente la raccolta delle norme in materia ambientale; le norme tecniche UNI EN 752/1-7 per una realizzazione secondo le regole dell’arte dell’infrastruttura fognaria.

Di conseguenza la ricerca delle “acque parassite” in fognatura, cioè quella componente non conforme al sistema fognario dimensionato né per qualità né per quantità (Masotti), diventa una attività inderogabile cui gli enti gestori devono sottoporre la propria rete fognaria.
I fenomeni di infiltrazione ed exfiltrazione (spandimenti) nelle reti di fognatura sono la conseguenza del cattivo stato di reti di fognatura e si manifestano quando la struttura fognaria perde la sua impermeabilità favorendo le perdite e/o l’ingresso di acqua dal e nel sistema di collettamento.
L’interesse scientifico legato allo studio delle acque parassite è determinato dalle conseguenze ambientali, economiche ed energetiche di tale fenomeno. Tali ammaloramenti determinano, infatti, in maniera diretta ed indiretta la contaminazione dell’ambiente idrico urbano, sia superficiale che profondo, nonché problemi gestionali della rete, degli impianti di depurazione e aumento dei costi energetici.
Il progetto realizzato è stato sviluppato nelle seguenti quattro fasi, che rispecchiano quanto previsto nella domanda di finanziamento presentata:

  • Fase 1: ricerca dello stato dell’arte e sviluppo software per l’analisi dei dati;
  • Fase 2: integrazione modello numerico;
  • Fase 3: distretto pilota. Applicazione della metodologia individuata nelle fasi precedenti ad un bacino fognario pilota;
  • Fase 4: Divulgazione.

Fase 1

Figura 1 La fase preliminare del progetto è stata focalizzata nell’aggiornamento da parte dei ricercatori e dei tecnici coinvolti nel progetto sulla problematica delle acque parassite nelle reti fognarie. Dopo una prima fase di aggiornamento sulle metodologie di monitoraggio delle reti fognarie più avanzate l’attenzione è stata focalizzata sullo studio dei più recenti studi che presentano approcci modellistici per la simulazione del processo di immissione di acque parassite nelle reti fognarie. Nel presente progetto si è scelto al fine di determinare l’entità delle portate di infiltrazione o ex filtrazione di adottare il metodo basato sulla determinazione del minimo di portata e al fine di una più accurata determinazione delle acque parassite, di operare un confronto con gli esiti del metodo basato sui consumi acquedottistici.

Il monitoraggio di una rete fognaria al fine di identificare le potenziali infiltrazioni/exfiltrazioni richiede la gestione di dataset di elevata dimensione contenenti le informazioni relative alle caratteristiche geometriche della rete fognaria, i dati misurati di livello idrico, di velocità in condotta, di portata e di temperatura del refluo, nonché le precipitazioni registrate nell’area servita dalla rete con campionamento molto elevato (ordine dei minuti) e per intervalli temporali non inferiori alle tre settimane. Conseguentemente, i dataset contenenti tali informazioni possono raggiungere dimensioni ragguardevoli, e l’analisi dei dati stessi richiede l’utilizzo di strumenti software avanzati che permettano un’agevole analisi dei dati raccolti con ridotti tempi di calcolo. Da questa problematica è nata l’esigenza di sviluppare uno strumento software che permettesse di gestire le variabili sotto forma di matrice, modalità estremamente efficiente dato l’elevato quantitativo di dati esito di campagne di monitoraggio delle reti fognarie con registrazione dei dati ad elevata frequenza in contemporanea in molteplici punti di misura al fine di avere un quadro completo e il più possibile accurato della evoluzione del deflusso nella rete.

Si è scelto dunque di sviluppare tale software usando un linguaggio di programmazione basato sul concetto di matrice/vettore. Il codice sviluppato in collaborazione con l’Università di Trieste consente di individuare l’entità delle acque parassite a scala di distretto fognario mediante l’approccio del minimo di portata. Il flowchart in figura 1 presenta la schematizzazione del codice sviluppato con l’identificazione dei passaggi chiave dell’analisi. Gli algoritmi sviluppati sono stati ottimizzati in modo tale da permettere di gestire i dati raccolti da dieci stazioni di monitoraggio della rete in contemporanea nonché i dati di precipitazione registrati da pluviometri ubicati nell’area indagata. Grazie all’algoritmo di omogeneizzazione temporale implementato è possibile infatti confrontare ed analizzare i dati di portata, livello, velocità e temperatura del refluo nonché le precipitazioni cadute nell’intervallo di monitoraggio e la temperatura dell’aria anche se campionati con passo differente.

  • evidenziazione degli intervalli temporali in cui si siano verificate condizioni critiche dal punto di vista del corretto funzionamento dello strumento di misura;
  • individuazioni potenziali peculiarità dell’andamento dei dati registrati nel corso del monitoraggio che possano suggerire la presenza di connessioni con la rete idrografica superficiale, rete bianca (nel caso di rete fognaria di tipo separato), immissioni di tipo produttivo;
  • sulla base del confronto con i dati pluviometrici, determinazione degli intervalli temporali interessati da immissioni di acque meteoriche.

Sulla base dei dati relativi all’entità del deposito rilevato in condotta e della geometria della tubazione ove è stata effettuata l’installazione della strumentazione nonché dei dati di livello e velocità del refluo registrati, la procedura di flow-conversion implementata consente di valutare l’effettiva entità delle portate transitanti nel punto di monitoraggio. La valutazione dei valori minimi di portata dei singoli punti di misura e del segnale differenza delle portate nelle ore notturne viene infine automaticamente effettuata dal software e viene proposta la stima dell’entità delle portate parassite in tempo secco, nel’ipotesi di assenza di ulteriori immissioni a monte dei singoli punti di misura e all’interno del distretto da essi delimitato. Qualora la campagna di monitoraggio delle portate sia stata interessata dal verificarsi di uno o più eventi pluviometrici, il software consente di effettuare l’analisi delle condizioni in tempo di pioggia, e sulla base del confronto dei volumi transitanti in tempo secco e di pioggia fornisce una stima dell’entità delle immissioni di portate meteoriche nella rete a monte di ciascun punto di monitoraggio e all’interno del distretto analizzato, identificandole come parassite nel caso di rete di tipo separato.

E’ stato inoltre sviluppato un modulo software per il post-processing dei dati che consente di fare il confronto dei risultati ottenuti in tutti i microbacini in cui è stata distrettualizzata la rete fognaria oggetto di indagine con la possibilità di confrontare i risultati con i dati di consumo acquedottistico dell’area servita per un’ancora più raffinata stima della infiltrazione parassita per il periodo d’esame. Al fine di agevolare l’utilizzo del software da parte di utenza abituata ad operare in ambiente Windows, è stata sviluppata un’interfaccia grafica che agevola l’inserimento dei dati di input. Ad ogni passaggio chiave il software fornisce all’utente grafici di analisi dei dati registrati nei singoli punti di misura nonché valutazioni inerenti il bilancio di distretto, l’entità delle infiltrazioni parassite all’interno dei singoli distretti nel corso del monitoraggio, permettendo quindi l’individuazione del valore minimo di infiltrazione caratterizzante il periodo di studio della rete. I risultati ed i grafici di analisi vengono automaticamente salvati in formato tale da consentirne il caricamento in automatico all’interno della relazione di sintesi dell’analisi mediante una macro in linguaggio VBA sviluppata ad hoc per la realizzazione del report di sintesi dell’analisi delle reti fognarie finalizzata alla ricerca delle acque parassite.

Fase 2

Figura 3 Nella seconda fase del progetto, realizzata in stretta collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura dell’Università degli Studi di Trieste, l’attività è stata focalizzata nello sviluppo degli strumenti numerici per la calibrazione del modello della rete fognaria pilota in condizioni di tempo secco. Il software di simulazione del deflusso nelle reti fognarie selezionato è InfoWorks CS 13.0, sviluppato dalla società inglese Wallingford Software per la verifica idraulica e la progettazione di reti di drenaggio rurale, e che nasce dalla combinazione di risolutori matematici a un ambiente di lavoro di tipo GIS. Il software permette di modellare in maniera particolareggiata e distribuita il comportamento idraulico di un sistema di drenaggio e delle superfici scolanti durante eventi meteorici intensi, con possibilità di entrata in pressione dei collettori, qualora a sezione chiusa. Tale modello, di tipo quantitativo e qualitativo, consente di seguire l’evoluzione dinamica dell’evento meteorico, riproducendo l’andamento temporale dei livelli, delle portate e delle concentrazioni di sostanze inquinanti nelle diverse sezioni del sistema di drenaggio.

Infoworks CS permette di scegliere varie formulazioni per rappresentare i meccanismi di trasferimento della portata di piene della superficie alla caditoia del sistema di drenaggio (modello di routing) tra cui il metodo Storm Water Management Model (SWMM), sviluppato dall’US-EPA (United States Environmental Protection Agency). La procedura seguita per sviluppare il modello si è sviluppata nei seguenti passaggi fondamentali:

  • Sviluppo del modulo per la determinazione delle portate di infiltrazione in condizione di tempo secco;
  • Sviluppo del codice di calibrazione;
  • Accoppiamento con l’eseguibile SWMM;
  • Esportazione del modello calibrato in Infoworks.

Nel presente progetto si è scelto di calibrare il modello di deflusso nella rete fognaria test in condizioni di tempo secco mediante l’algoritmo genetico multi obiettivo NSGA-II, generando la popolazione iniziale delle soluzioni esplorando lo spazio dei valori di tutti i parametri utilizzando la tecnica Latin Hypercube Sampling. Per la calibrazione del modello numerico di simulazione dei deflussi in condizioni di tempo secco si è scelto di utilizzare come parametri di input il parametro di calibrazione sintetizzante i difetti della condotta per ciascun nodo della rete e i parametri sintetizzanti la geometria del modello e come obiettivi sono stati assunti la minimizzazione della radice quadrata degli errori al quadrato dei volumi e la massimizzazione dell’efficienza secondo Nash e Suttcliffe (1970).
Figura 2

Fase 3

La terza fase del progetto è stata focalizzata sull’applicazione delle metodologie sviluppate ad un caso test. La scelta della rete pilota ha comportato alcune difficoltà legate al fatto che si voleva individuare una rete fognaria nota per le criticità legate alle infiltrazioni di acque parassite al fine di verificare l’efficacia delle metodologie in sviluppo. Il verificarsi di frequenti periodi di pioggia, ha portato a posticipare le attività di campagna di misura delle portate agli inizi dell’anno 2014 e conseguentemente a posporre le attività di messa a punto e calibrazione del modello numerico in riferimento ai dati misurati rispetto alle date preventivate nella domanda di finanziamento. Le attività svolte nell’ambito della terza fase del progetto sono state sviluppate secondo lo schema seguente:

  • Rilievo rete;
  • Creazione database e GIS sintetizzante gli esiti del rilievo;
  • Campagna di misura delle portate e delle precipitazioni;
  • Analisi dei dati raccolti nel corso della campagna di monitoraggio;
  • Modello numerico della rete fognaria pilota;
  • Calibrazione del modello;
  • Quantificazione delle portate parassite e identificazione dei possibili interventi;

Figura 4 Figura 5

Fase 4

I risultati conseguiti nell’ambito del presente progetto di ricerca sono stati sintetizzati e raccolti all’interno della pagina web all’interno del sito di Idrostudi, al fine di sensibilizzare l’opinione pubblica sulla tematica in oggetto. E’ in corso la preparazione di pubblicazioni in collaborazione con l’Università di Trieste inerenti le attività svolte nel corso del presente progetto e la metodologia messa a punto. Lo sviluppo del progetto proposto ha permesso di mettere a punto una metodologia di analisi e simulazione che consente di individuare i tratti fognari soggetti ad infiltrazione di acque parassite e di quantificare l’entità di tali infiltrazioni abbattendo i costi e i tempi necessari alle valutazioni delle problematiche che interessano le reti fognarie.

I risultati conseguiti si sono dimostrati di notevole impatto per le committenze costituite dagli enti gestori del servizio idrico. L’individuazione in modo univoco delle aree critiche interessate dall’infiltrazione di acque parassite mette a disposizione degli enti gestori informazioni incontrovertibili nonché un sistema agevole di gestione delle reti che consente di ottimizzare gli interventi di risanamento delle reti consentendo notevoli miglioramenti dal punto di vista dell’impatto ambientale, con l’ottimizzazione del funzionamento degli impianti di trattamento delle acque reflue, e risparmi economici, mediante ad esempio la riduzione dei costi di energia elettrica negli impianti di sollevamento, nonché di pianificare gli interventi futuri.

Il lavoro realizzato è stato svolto nel rispetto del progetto sottoposto per la richiesta del finanziamento. I risultati ottenuti sono stati completamente soddisfacenti sia dal punto di vista tecnico sia dal risvolto economico – commerciale assunto. I risultati oltre ad essersi dimostrati estremamente validi ed affidabili, hanno permesso ad Idrostudi srl di mettere a punto una metodologia avanzata che le hanno permesso di rinsaldare la sua posizione in una nicchia di mercato nel settore degli enti gestori del servizio idrico integrato e degli ATO in forte espansione. Le potenzialità del sistema proposto sono risultate inoltre di estremo interesse per uno dei più importanti produttori di strumentazione area velocità europeo, se non il più importante, con il quale, attraverso il distributore nazionale, è stata avviata una proficua sinergia. Il progetto ha permesso inoltre di accrescere le competenze e le conoscenze dello staff di lavoro di Idrostudi srl il quale ora ha aggiunto all’attività di consulenza anche quella di fornitura di servizi altamente qualificati e specialistici.

Progetto co-finanziato dalla Regione Friuli Venezia Giulia ai sensi della Legge regionale 47/1978, capo VII, articolo 21, comma 1 lett. a), b) e c) del Friuli Venezia Giulia