L'articolo "Modello innovativo di scaricatore di piena" pubblicato dalla rivista Impianti Building

1. I
l concetto di salvaguardia ambien-
tale dei corpi idrici ricettori è enfa-
tizzato dalle direttive europee No
2000/60/EC. Durante gli eventi di
pioggia, il dilavamento superficiale,
gli scarichi da condotte di drenaggio urba-
no e gli scarichi da CSO producono un
forte impatto sulla qualità dei corpi idrici
ricettori. In generale i CSO vengono pro-
gettati tenendo conto della sola capacità
di recapitare una certa quantità di flusso,
senza considerare gli aspetti qualitativi.
Dato il crescente interesse per la prote-
zione ambientale e l’importanza della
stessa, nuovi criteri di progettazione
dovrebbero essere considerati anche nel
progettare le geometrie degli scaricatori.
Tali criteri devono mirare a migliorare la
capacità di eliminazione di sostanze non
disciolte particolarmente dannose per-
chè combinate con inquinanti quali metal-
li pesanti.
Un enorme numero di diverse tipologie di
CSO è disponibile sul mercato, spesso la
geometria è dettata da standard regiona-
li o locali.
I criteri da tener presente nel progettare
la geometria di un CSO non possono tra-
scurare il comportamento idraulico, le
perdite di carico, la capacità di separare
sostanze trasportate e il basilare princi-
pio di efficienza – efficacia-economicità.
LAYOUT DEL MODELLO
PROTOTIPO
Il CSO non dovrebbe essere solo consi-
derato un sistema per proteggere la rete
di drenaggio urbano da sovracarichi quan-
titativi, ma dovrebbe anche essere prov-
visto di una minima capacità di pre-tratta-
mento.
I risultati di modellazioni matematiche
dimostrano che nelle attuali strutture e
soluzioni geometriche di CSO le particel-
le trasportate vengono staccate dai sedi-
menti e comunemente immesse nei corpi
idrici ricettori.
Da una collaborazione con l’azienda
Hobas, il laboratorio di Idraulica
dell’Università di Praga fu in grado di pro-
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Ricerca
Nel 2005 una delle maggiori case produttrici di
condotte in plastica della Repubblica Ceca si
rivolse al dipartimento di Ingegneria sanitaria
ambientale della facoltà di Ingegneria di Praga,
per sviluppare un nuovo tipo di scaricatore di
piena (CSO). I requisiti principali richiesti
furono: economia di produzione, praticità di
installazione in campo e maggiore salvaguardia
ambientale dei corpi idrici ricettori.
Dopo una valutazione dei modelli di CSO
prefabbricati disponibili sul mercato e in seguito
ad apposite campagne di misura, sulla base di
una modellazione idraulica e matematica, fu
determinata la geometria ottimale da adottare.
Le misure sul campo sono state condotte per
mezzo di misuratori di velocità a ultrasuoni,
mentre il modello matematico k-ε in 3D è stato
applicato per studiare il moto turbolento e il
trasporto di solidi sospesi. Infine fu determinata
la geometria ottimale da assegnare in funzione
della separazione per gravità tra solidi sospesi e
solidi galleggianti. I primi 3 prototipi del CSO
che furono chiamati“TOK”, sono stati installati
nella Repubblica Ceca e molti altri stanno per
essere posti in opera non solo nella Repubblica
Ceca. Questo tipo di scaricatore ha un’ottima
efficienza di separazione tra particelle sospese
se confrontato con i comuni modelli esistenti.
Figura 1: Modello idraulico usato per la
fase sperimentale di misura
Modello
innovativo
di scaricatore
di piena
di Jaroslav Pollert e Rita Ugarelli

2. durre un nuovo tipo di CSO, rappresentato in figura
1. Il nome del prototipo è “CSO – Tubo” o “TOK”
nella lingua ceca.
Di per sè è molto semplice: consiste sostanzial-
mente in 2 condotte sovrapposte (figura 2). Nella
sezione terminale della condotta inferiore (inlet) è
localizzato un regolatore di flusso. La condotta
superiore invia la corrente direttamente al corpo
idrico ricettore. Questo semplice layout consente
di ridurre i costi di costruzione: il posizionamento
della condotta di scarico in cima alla struttura faci-
lita i lavori di scavo. Quindi la creazione di CSO con
condotte disponibili nel mercato consente di ren-
dere sia la produzione che la posa in opera sem-
plici ed economiche.
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Figura 2:
Sezione
trasversale
del CSO e
cinque diverse
configurazioni
geometriche
Figure 3:
Traiettoria delle
particelle
all’interno del
CSO
n° 81 giugno
Figura 4: Vettori
di velocità
orizzontale u per
le tre divverse
configurazioni
geometrica
ST1-ST2 e ST3
(Qingresso = 6 l/s,
Quscita=2 l/s)
➲

3. La condotta inferiore può essere progettata in
modo da essere in pressione e ottimizzare le con-
dizioni di deflusso e la capacità di ritenzione. Un
ulteriore vantaggio è rappresentato dalla capacità
di intercettare le acque di prima pioggia o di primo
dilavamento.
FASE SPERIMENTALE
Il modello sperimentale del CSO è stato realizzato
in plexiglass (figura 1). Due misuratori di flusso
elettromagnetici (KROHNE DN 200, DN 50) sono
stati installati per una misura continua del flusso
all’ingresso e all’uscita del CSO. All’interno del
CSO è stata misurata in continuo la superficie libe-
ra, per poter poi essere usare per calibrare il
modello 3D.
Cinque diverse aperture geometriche di scarico
(overflow SILT) sono state testate (figura 2) con tre
tipi di regime di flusso in uscita (Qingresso = 6l/s,
Quscita = 0, 1, 2 l/s). La velocità è stata misura-
ta nel piano orizzontale e i valori rilevati sono stati
confrontati con i risultati del modello matematico.
L’informazione istantanea relativa alla distribuzio-
ne della velocità e della turbolenza è stata ottenu-
ta usando un monitor UVP (Met-Flow, S.A.) con-
nesso a due trasduttori US (ultrasuono).
Figure 7 Modello 3D del TOK
installato a Moravsky Krumlov
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➲
giugno n° 81
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Figura 5 Confronto tra i vettori di velocità misurati dall’UVP e quelli simulati in FLUENTE per la
configurazione geometrica ST3 (Qingresso = 6 l/s, Quscita= 2 l/s)
Figura 6
La prima
installazione
del TOK
(Moravsky
Krumlov)

4. Figura 11
Efficienza a
confronto: TOK
e CSO in opera
a Praga
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IL MODELLO MATEMATICO
Per la simulazione matematica del comportamen-
to del CSO, si è scelto di utilizzare il modello k-ε
grazie alla sua stabilità, robustezza e limitato
tempo di calcolo. L’analisi è stata condotta usan-
do il modello commerciale di modellazione 3D
Fluent (figura 3). La posizione della superficie libe-
ra è stata importata dalle misure di laboratorio
descritte nella fase sperimentale.
Sebbene la geometria del CSO sia molto semplice,
la modellazione matematica ha richiesto particola-
re accortezza nel rappresentare le dimensioni e la
posizione di ciascuna parte, specialmente per la
geometria da adottare per la fessura in uscita. Lo
scopo principale è stato quello di ottenere dalla
simulazione le condizioni per una distribuzione
omogenea del flusso all’interno della camera, otte-
nendo allo stesso tempo la più bassa velocità
sulla superficie e la miglior separazione delle
sostanze disperse.
RISULTATI SCIENTIFICI
●●Configurazione geometrica del CSO
L’obiettivo principale della modellazione idraulica è
stata la valutazione dell’influenza esercitata dalla
scelta della geometria del CSO sulla distribuzione
della velocità. In particolare le componenti verticali
della velocità sono state valutate in funzione dell’eli-
minazione di solidi sospesi attraverso il CSO scari-
cabili altrimenti nel corpo idrico ricettore. Nel caso di
configurazione a cresta ST1 (figura 4) è chiaramente
visibile l’instaurarsi di scie in corrispondenza dell’a-
scissa spaziale x = 400 mm. Nel caso di ST1 e ST2
sono visibili piccoli vortici circolari alla coordinata
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Figure 8 TOK
installato a
Decín
Figure 9 TOK
installato a
Banská
Bystrica –
Slovacchia
Figura 10
Simulazione
dell’efficienza di
separazione del
TOK Decín
➲

5. 66
spaziale x = 200-400mm. Il peggior comportamento
della distribuzione verticale della componente verti-
cal di velocità v (y) si riscontra per il caso ST1. Nella
parte terminale della camera, il profilo di velocità è
praticamente simile per tutti i casi.
D’altra parte però, l’effetto della formazione di
schiuma nelle zone morte, aumenta con la lun-
ghezza della sommità dello scarico. E quindi il
compromesso nella scelta della geometria va cer-
cato nella migliore prestazione in termini di distri-
buzione di velocità e minore estensione delle zone
morte: la scelta è ricaduta sul profilo ST3.
●●Verifica dei risultati del modello matematico
I risultati ottenuti misurando i parametri di velo-
cità (u e v), flusso (Q), carico idraulico (h), sono
stati usati per verificare i risultati ottenuti dal
modello 3D. La figura 5 illustra il confronto tra i
risultati ottenuti con il modello 3D e con le misu-
re effettuate con l’UVP per un tipo di flusso con
il layout di tipo ST3. Il modello matematico chia-
ramente sottostima l’influenza della schiuma di
turbolenza laterale nelle zone morte nelle sezio-
ni terminali. Ciò può essere spiegato con due
possibili ragioni:
• il modello k-ε è isotropico e la densità delle
mesh tetraediche usate per la rappresentazione
3D è troppo bassa nelle zone morte
• le componenti di velocità verticale v sono mag-
giori sulla sommità dello scarico di quanto misu-
rato dall’UVP.
INSTALLAZIONE
I primi tre prototipi del nuovo modello di scaricato-
re di piena “TOK” sono stati installati nelle città di
Decín (maggio 2007) Moravsky Krumlov (aprile
2007) e Teplice (febbraio 2008).
Il primo prototipo (figura 6) installato presentava
una condotta di inlet DN 800 caratterizzata da una
forte pendenza e seguita da una camera di dissi-
pazione di energia cinetica. La progettazione di
questo specifico TOK fu realizzata utlizzando un
modello matematico (figura 7) a superficie libera
dipendente dal tempo. La differenza è data dalla
simulazione dinamica dei solidi sospesi che con-
sente di identificare l’efficienza del modello.
La possibilità di installare il prototipo in tempi
brevi, si è rivelato di grande importanza nella
città di Decín (secondo prototipo) dal momento
che il TOK è posizionato in una strada soggetta
a traffico pesante (figura 8), quindi minimizzare
il tempo di intervento era molto importante.
L’installazione del prototipo con un inlet DN
1000 fu realizzato nel giro di una notte.
LA CAPACITÀ
DI SEPARAZIONE DEL TOK
La capacità di separazione di particelle di sei
diversi diametri (50, 100, 150, 200, 250 e 300
µm) e una densità di 1800 kg/m3
è stata simula-
ta usando il modello 3D (figura 10). Il modello teo-
rico per il calcolo della velocità di sedimentazione
di queste particelle consiste nel modello di
Tchobanoglous, Burton, 2003.
La stessa analisi sull’efficienza di separazione è
stata svolta per diversi tipi di CSO in opera a
Praga: Na Barikádách (side weir), Cakovice (vor-
tex separator) and Pod Táborem (transverse
weir) Come si può notare nella figura 10 che
mette a confronto i risultati di efficienza ottenu-
ti per i diversi tipi di CSO, il TOK è secondo solo
al CSO di Na Barikádách , d’altraparte però il
CSO di Na Barikádách è noto per essere sovra-
dimensionato.
CONCLUSIONI
Il tipo di CSO descritto ha ottime potenzialità per
diminuire i costi di costruzione per nuovi sistemi di
drenaggio urbano e di ricostruzione per sistemi già
esistenti. La sua alta efficienza di separazione di
particelle sospese può anche contribuire a ridurre
l’impatto ambientale sui corpi idrici ricettori. ■
Ringraziamenti
Questo progetto è stato supportato dal progetto del
Ministero dell’istruzione “Youth and Sport” della
Repubblica Ceca No. MSM 211100002. Si ringraziano per
l’importante contributo i colleghi Vojtech Bares (Università
di Praga), Jaroslav Kunc (di HOBAS CZ spol. s r. o.).
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BIBLIOGRAFIA
G. Tchobanoglous, L. Franklin, F. L. Burton
(2003) Wastewater Engineering – Treatment
and Reuse, McGraw- Hill Professional