EDILCLIMA - PROGETTO 2000

Invarianza idraulica: metodi di dimensionamento

In un precedente articolo pubblicato su Progetto 2000 n. 57, “L’invarianza idraulica, cos’è e come si realizza”, abbiamo parlato dell’invarianza idraulica-idrologica e dei suoi aspetti generali, entrando nello specifico del regolamento della Regione Lombardia e della Regione Emilia Romagna. In questo articolo riprendiamo l’argomento ampliandolo al contesto nazionale.

Innanzitutto, ricordiamo cos’è l’invarianza idraulica-idrologica: essa rappresenta quel principio secondo il quale, in un contesto di urbanizzazione, le portate e i volumi d’acqua scaricati nei corpi idrici ricettori non devono essere superiori a quelli scaricati nella situazione preesistente all’urbanizzazione stessa, ovvero non creare aggravio ai corpi idrici ricettori.

Il cambiamento climatico ha mutato i regimi pluviometrici, gli eventi meteorici sono aumentati d'intensità diventando più brevi ed intensi, inoltre, con il progredire della cementificazione, si è ridotto contestualmente il potere d’infiltrazione del terreno e di conseguenza i tempi di corrivazione dei bacini, cosicché l’acqua giunge ai corpi idrici ricettori in minor tempo e con maggiore portata.

Conseguentemente, le reti di drenaggio urbane e naturali con sempre maggiore frequenza risultano insufficienti. Per questo motivo le diverse regioni italiane hanno introdotto, con apposite norme, il principio d’invarianza idraulica-idrologica, volto a contenere gli scarichi e a riportare l’assetto del sistema di drenaggio a situazioni più naturali.

Al fine di ottemperare a tale principio, le tipologie di interventi possono essere:

• realizzazione di opere di stoccaggio delle acque meteoriche per successivo riuso;
• realizzazione di opere o aree di infiltrazione: trincee drenanti, bacini d’infiltrazione, pozzi d’infiltrazione, caditoie filtranti, ecc.;
• realizzazione di sistemi di laminazione della portata: invasi naturali o artificiali;
• realizzazione di pavimentazioni permeabili;
• opere meno frequenti: tetti verdi, aree verdi, ecc.

Ad eccezione delle ultime due tipologie, che intervengono sull’aumento della permeabilità del suolo e sulle perdite di bacino, in tutti gli altri casi la progettazione prevede un’analisi idrologica e il corretto dimensionamento del volume di laminazione.

Di seguito riportiamo una panoramica dei principali metodi di dimensionamento, citati dalla letteratura tecnica e normativa regionale, da quelli più semplificati, utili nei casi a più basso impatto, a quelli analitici di dettaglio, per i casi di maggiore impatto o per simulare più precisamente situazioni altrimenti difficilmente calcolabili.

METODO DELLE SOLE PIOGGE

Il metodo delle sole piogge è un metodo semplificato che si basa sul semplice confronto tra la curva cumulata delle portate entranti e quella delle portate uscenti, ipotizzando che sia trascurabile l’effetto di trasferimento dell’onda di piena e il potenziale d’invaso del bacino, considerando costante la portata uscente. È un metodo di facile utilizzo che, come detto, considera costante la portata scaricata.

Tale metodo viene proposto, tra gli altri, dal Regolamento della Regione Lombardia per i casi di impermeabilizzazione potenziale media e da quello della Regione Friuli Venezia Giulia.

Fig. n. 1: metodo delle sole piogge

Le formule adottate sono quelle sotto riportate:

Formula 1

Formula 2

dove:
φ_m è il coefficiente di afflusso medio ponderale dell’area;
a e n sono i parametri della curva di possibilità pluviometrica;
Q_u è la portata uscente;
D_w è la durata critica dell’invaso;
A e la superficie dell’area in oggetto di intervento.

METODO DELLA CORRIVAZIONE

Anch’esso è un metodo semplificato, valevole per situazioni a portata scaricata costante: si fa riferimento all’impostazione data da Alfonsi e Orsi (1967) che ipotizzavano prevalenti, all’interno del bacino di scolo, i fenomeni di traslazione dell’acqua, piuttosto che quelli di accumulo, mediante un processo di trasformazione afflussi-deflussi del tipo cinematico.

Il metodo si basa sull’ipotesi di ietogramma di pioggia netto a intensità costante, curva aree-tempi lineare e svuotamento a portata costante (laminazione ottimale). Rispetto al metodo delle sole piogge esso tiene conto della dinamica di traslazione dell’onda di piena. Tale metodo viene richiamato tra gli altri dal Regolamento della Regione Friuli Venezia Giulia.

Per il calcolo del volume minimo di laminazione, si adotta la formula:

Formula 3

dove:
φ_m è il coefficiente di afflusso medio ponderale dell’area;
a e n sono i parametri della curva di possibilità pluviometrica;
Q_u è la portata uscente;
D_w è la durata critica dell’invaso;
A è la superficie dell’area in oggetto di intervento;
t_c è il tempo di corrivazione del bacino.

La durata critica dell’invaso viene calcolata risolvendo numericamente l’equazione di massimizzazione del volume di accumulo.

METODO DIRETTO ITALIANO

Il metodo diretto italiano è un caso particolare derivato dal metodo italiano dell’invaso (Supino 1929, Puppini 1932) e appartiene alla classe di metodi dell’invaso lineare.

Esso permette di calcolare direttamente i volumi d’invaso necessari, semplicemente mantenendo costante il coefficiente udometrico al variare del coefficiente d’afflusso medio ponderale dell’area fm.

Viene richiamato tra gli altri: dalla Direttiva Idraulica PGRA PAI (D.G.R. 2112/2016) della Regione Emilia Romagna, dalle Linee Guida sull'invarianza idraulica della Regione Lazio e dal Regolamento della Regione Friuli Venezia Giulia.

Rispetto ai metodi precedenti, fa leva sul fenomeno dell’invaso e richiede di effettuare una buona stima, oltre che dei coefficienti di afflusso, anche dei volumi dei piccoli invasi, di non sempre facile quantificazione.

La formula per il calcolo del volume minimo di laminazione può essere scritta in più modi. Si riporta la formulazione più generica:

 

Wo = u · A

 

Formula 4

dove:
φ_m è il coefficiente di afflusso medio ponderale dell’area post intervento;
φ₀ è il coefficiente di afflusso medio ponderale dell’area ante intervento;
n è il coefficiente di scala della curva di possibilità pluviometrica;
w₀ è il volume specifico dei piccoli invasi ante intervento;
w è il volume specifico dei piccoli invasi post intervento;
A è la superficie dell’area oggetto di intervento.

La formulazione proposta dalla Direttiva idraulica della Regione Emilia Romagna è la seguente:

Formula 5

dove:
I è la frazione di area trasformata;
P è la frazione di area inalterata.

METODI ANALITICI DI DETTAGLIO

I metodi analitici di dettaglio si basano su una vera e propria analisi idrologica che, partendo dai dati di piovosità dell’area, depurando le piogge lorde in piogge nette e adottando adeguati metodi di trasformazione afflussi-deflussi, definiscono minuto per minuto la portata in ingresso all’opera di laminazione o di infiltrazione. Essi consentono di calcolare in modo più accurato i vari sistemi d’invarianza.

Fig. n. 2: depurazione delle piogge col metodo percentuale – Ietogramma netto e lordo

Nota la portata in ingresso, la durata dell’evento meteorico, le dimensioni di base dell’opera di laminazione e la portata scaricata e/o infiltrata, attraverso l’equazione di continuità dell’accumulo è possibile ricavare il volume d’acqua massimo invasato ovvero il volume minimo, che deve possedere l’opera di laminazione affinché riesca a contenere tutta l’acqua raccolta, con riferimento all’evento meteorico di durata ipotizzata.

Fig. n. 3: bilancio dell’accumulo (portata in ingresso, scaricata o infiltrata, volume invasato)

In funzione della durata dell’evento meteorico si avranno diversi valori del volume massimo invasato: per durate più brevi si avranno volumi tipicamente inferiori, per durate maggiori si avranno volumi tipicamente maggiori. Per definire la durata critica dell’evento meteorico, ovvero quella che genera il maggiore volume d’invaso necessario, si possono adattare opportuni metodi matematici, volti a ottenere il massimo tra i volumi invasati, oppure, più semplicemente, partendo dalle durate più brevi e aumentandole via via, sino a trovare la durata dell’evento meteorico che richiede il massimo volume d’invaso.

Alcune normative regionali forniscono specifiche indicazioni in merito alla durata degli eventi meteorici da prendere in considerazione.

Tra i metodi di trasformazione afflussi-deflussi maggiormente citati nelle varie normative e implementati anche nel software Edilclima EC737 Invarianza idraulica e idrologica, troviamo quello cinematico che schematizza la formazione dell’onda di piena come dovuta esclusivamente a un fenomeno di trasferimento di massa. Si citano, in via non esaustiva: il metodo del canale lineare, il metodo dell’invaso lineare, il metodo di Nash, ecc.

Per quanto riguarda la depurazione delle piogge vengono richiamati, tra gli altri, dalle varie norme: il metodo proporzionale, che considera le perdite di bacino proporzionali alla precipitazione lorda, il metodo del Curve Number (Soil Conservation Service), che considera una perdita iniziale fissa e poi variabile col tempo, da valori più alti a valori più bassi in funzione del livello di saturazione del terreno, e il metodo di Horton, applicabile ai soli terreni naturali.

CONCLUSIONI

La letteratura tecnica fornisce diversi metodi, richiamati poi nelle varie normative regionali, atti a dimensionare, per quanto attiene al volume d’invaso, i sistemi ad invarianza, da quelli più semplificati, tipicamente a portata scaricata considerata costante, a quelli analitici di dettaglio, più complessi, in grado di simulare in modo più preciso e dettagliato il comportamento, sia del bacino, sia dell’opera di laminazione.

La scelta degli uni o degli altri dipende non solo da eventuali indicazioni fornite delle normative specifiche regionali, ma anche dalle preferenze del professionista rispetto al metodo che ritiene più adatto al caso di specie.

Alcune normative regionali, peraltro, come per esempio quella della Regione Friuli Venezia Giulia, richiamano l’utilizzo di più metodi, indicando di adottare il valore maggiore tra quelli ottenuti.