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IA risposta idrologica del verde pensile L’IMPATTO DELLE COPERTURE A VERDE SUI SISTEMI DI DRENAGGIO URBANO A. Palla, L.G. Lanza * Sommario – Il lavoro ha l’obiettivo di fornire informazioni quantitative riguardo alle prestazioni ambientali delle coperture a verde pensile nel clima mediterraneo ed individuare parametri sintetici per la descrizione della relativa risposta idrologica. Lo studio si basa in particolare sui risultati ottenuti presso il sito pilota per il monitoraggio quali/quantitativo delle acque meteoriche realizzato nel mese di Maggio 2007, in collaborazione con il Comune di Genova e l’Associazione Italiana Verde Pensile, sulla copertura a verde del Laboratorio di Ingegneria Ambientale dell’Università di Genova. Per simulare la risposta idrologica della copertura a verde sono stati utilizzati due diversi approcci modellistici: il modello Hydrus-1D che risolve l’equazione di Richards nello schema uni-dimensionale ed un modello concettuale a limitato numero di parametri (serbatoio lineare). L’articolo illustra i risultati ottenuti dalla modellazione idrologica del sito sperimentale e l’elaborazione dei dati provenienti dalla campagna di monitoraggio. La modellazione idrologica dell’impatto di installazioni a verde pensile diffuse nel tessuto urbano è stata effettuata invece con riferimento al bacino urbano di Colle Ometti, nella città di Genova. La risposta idrologica del bacino è stata simulata in continuo per 18 anni di eventi meteorici (1990-2007), utilizzando il modello SWMM (Storm Water Management Model). Il modello ha consentito di valutare i benefici idrologici di tre ipotetici scenari di conversione a verde delle coperture esistenti (inverdimento del 10%, 20% e 100%). Le simulazioni effettuate confermano che la diffusione di coperture a verde consente di ridurre significativamente l’altezza del picco dell’idrogramma con conseguente riduzione della probabilità di fallanza di tratti della rete di drenaggio e/o di altri manufatti idraulici ad essa asserviti. THE IMPACT OF GREEN ROOFS ON URBAN DRAINAGE SYSTEMS * Ing. Anna Palla, prof. Luca G. Lanza; Università degli Studi di Genova, Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni, dell’Ambiente e del Territorio (DICAT) – Via Montallegro, 1 – 16145 Genova – Tel. 010.3532301/2123, Fax 010.3532481, e-mail: anna.palla@dicat.unige.it, luca.lanza@unige.it. IA Ingegneria Ambientale vol. XXXVIII n. 3 marzo 2009 Summary – The objective of this work is to provide detailed information about the environmental performances of green roofs in the Mediterranean climate and to identify suitable parameters for describing the associated hydrologic response. In particular, starting on May 2007, in collaboration with the Municipality of Genoa and the Italian Green Roof Association, a pilot site was installed for quality/quantity monitoring of storm water flow from the green roof of the Environmental Engineering Laboratory at the University of Genoa. Two distinct modelling approaches have been used to simulate the hydrologic response of the green roof: the Hydrus-1D model, which solves the Richards equation in the one-dimensional scheme and a conceptual model with a limited number of parameters (linear reservoir). This paper reports the initial results obtained from the application of such models to the experimental site and the analysis of data collected during the monitoring campaign. The urban catchment of Colle Ometti, in the town of Genoa, was selected for the hydrological modelling of diffused green roof installations. The hydrologic response of the catchment was continuously simulated for 18 years of rain events (1990-2007), using SWMM (the Storm Water Management Model). The objective is to quantify the hydrological benefits of three hypothetical traditional to green roof conversion scenarios for the existing buildings (10%, 20% and 100% green roof coverage). The simulation performed confirms that the spreading of green roofs allow reducing significantly the magnitude of the hydrograph peak with a consequent reduction of failure probabilities in pipes throughout the drainage network and/or other hydraulic structures involved. Parole chiave: sistemi di drenaggio urbano, acque meteoriche, verde pensile, modelli di infiltrazione. Keywords: urban drainage systems, storm water, green roofs, infiltration models. 1. INTRODUZIONE In termini di generazione dello scorrimento superficiale nelle aree urbanizzate, il contributo del verde pensile rispetto ad una copertura tradizionale impermeabile consiste nella riduzione del volume complessivo, nella riduzione dell’altezza di picco dell’idrogramma e in un ritardo nel conferimento del picco stesso alla confluenza nella rete di drenaggio. Il controllo sulla generazione dei deflussi superficiali viene operato all’interno dei substrati costituenti la copertura attraverso la ritenzione (immagazzinamento e dispersione in atmosfera per mezzo dell’evapotraspirazione) e la detenzione (immagazzinamento e lento rilascio alla rete di drenaggio) di una parte del volume delle acque meteoriche. Il supporto per l’inverdimento è costituito infatti da un substrato drenante realizzato con geocompositi, con materiale sciolto o con pannelli preformati; viene quindi disposto uno strato filtrante ed un substrato colturale, comunemente chiamato suolo. La progettazione del substrato drenante, reale cuore del sistema, è la fase che determina la differenziazione della risposta del tetto verde in termini di gestione quantitativa e qualitativa delle acque meteoriche. Le caratteristiche specifiche dello strato drenante, rilevanti ai fini della regimazione idrica, sono la distribuzione della curva granulometrica per i materiali sciolti, la compatibilità ambientale e chimica, la permeabilità e la capacità di accumulo. Per quanto riguarda la compatibilità ambientale e chimica, i componenti dello strato non devono rilasciare sostanze dannose per l’ambiente e devono essere chimicamente compatibili con gli altri materiali impiegati nella stratificazione. La conduttività idraulica satura deve essere superiore a 0.3 cm/s e per quanto riguarda la capacità di accumulo è necessario verificare che in corrispondenza dei massimi volumi d’acqua invasa- 90
IA risposta idrologica del verde pensile ti sia sempre presente un adeguato volume d’aria, per non causare l’asfissia radicale. Nei sistemi realizzati con materiale sciolto lo strato drenante, costituito da materiali minerali leggeri quali pomice, lava, ardesia espansa, presenta valori di accumulo idrico valutabili, nel caso di copertura inclinata, attraverso la sola capacità di ritenzione idrica dei materiali e nel caso di coperture piane prevedendo un accumulo ulteriore dovuto alla presenza di una falda di pochi centimetri che si genera sul fondo. Lo spessore minimo dello strato deve garantire l’infiltrazione verticale dell’acqua meteorica e lo smaltimento orizzontale della stessa, evitando che le zone di ristagno idrico interessino lo strato filtrante. I sistemi con elementi drenanti preformati in piastre o rotoli, realizzati in materiale sintetico, polietilene, polistirolo o materiali termoisolanti hanno, a parità di spessore, capacità drenanti superiori a quelle dei materiali sfusi e comportano pesi più contenuti. In questi sistemi l’acqua viene immagazzinata in appositi incavi così da poter ottenere accumulo anche nel caso di coperture inclinate. Lo spessore di tali strati può variare da 2,5 a 12 cm. Il compito dello strato filtrante è quello di impedire la discesa di particelle fini dal substrato colturale verso lo strato drenante. Normalmente si utilizzano geotessili con opportune caratteristiche di resistenza alla trazione, al taglio e al punzonamento e con idonea permeabilità idraulica. Infine, al substrato di vegetazione sono richiesti un’elevata capacità drenante in condizioni di massima saturazione idrica, un coefficiente di conduttività idraulica satura superiore a 0.4 cm/s, una buona capacità di ritenzione idrica (> 35% in volume) ed una struttura chimico-fisica che garantisca stabilità per eventi meteorici intensi, ovvero una struttura che non ammetta la formazione di fango connessa alla perdita di resistenza al taglio del terreno. I materiali normalmente impiegati nella miscelazione dei substrati sono di origine vulcanica (lava, pomice) per la parte minerale, che conta circa il 60% in volume della frazione totale, e sono costituiti da torbe e residui vegetali compostati per la parte organica (in percentuale non elevata) con rapporto carbonio-azoto inferiore a 30. La ritenzione e la detenzione delle acque meteoriche operate dalle diverse stratigrafie caratteristiche delle coperture a verde pensile riducono gli afflussi alla rete di drenaggio, prevenendo l’instaurarsi di situazioni critiche nei sistemi di drenaggio urbano e limitando le condizioni limite di esercizio con conseguente riduzione del rischio di allagamento e di contaminazione delle acque superficiali. Il rischio di allagamento delle aree urbane cresce infatti con la probabilità di fallanza di tratti della rete di drenaggio o di altri manufatti idraulici, mentre il rischio di contaminazione aumenta con la probabilità di entrata in funzione degli scolmatori di piena che scaricano nel corpo idrico ricettore portate idriche che non hanno subito alcun trattamento di depurazione. I metodi utilizzati in letteratura per interpretare la risposta di un sistema a verde pensile in termini idrologici sono diversi e variano dalle semplici relazioni empiriche, agli schemi modellistici concettuali, ai modelli fisicamente basati. Le relazioni empiriche, generalmente sviluppate in ambiti diversi dall’ingegneria idraulica e dall’idrologia, analizzano i dati di letteratura suddividendoli opportunamente in base alle scale temporali di riferimento ed hanno l’obiettivo di individuare correlazioni significative tra altezza e durata di pioggia, spessore del substrato, pendenza della copertura, tempo secco antecedente, ecc. I risultati sono relazioni polinomiali che consentono di calcolare il volume di scorrimento subsuperficiale complessivo in un assegnato intervallo di tempo, i volumi trattenuti o i ritardi nell’arrivo del picco in funzione delle variabili ritenute significative per la caratterizzazione del processo (Mentens et al., 2006; Tillinger et al., 2006). Gli schemi modellistici impiegati sono il metodo razionale (Moran et al., 2005), il modello a serbatoio lineare (Zimmer e Geiger, 1997) ed il metodo del Curve Number (Carter e Jackson, 2007). Gli approcci rigorosi, che affrontano la formulazione del campo di moto per l’infiltrazione in mezzo insaturo attraverso soluzioni dell’equazione di Richards generalmente integrata sulla verticale (Hilten, 2005), sono meno diffusi. Sebbene il controllo dei deflussi di origine meteorica ad opera delle copertura a verde, in termini di riduzione dei volumi complessivi e dell’altezza del picco dell’idrogramma operati a scala del singolo edificio, sia stata oggetto di numerose indagini, il trasferimento di tali risultati a scala di comprensorio urbano è ad oggi scarsamente investigato (Carter e Rasmussen, 2006). Tuttavia, la valutazione delle prestazioni delle coperture a verde per installazioni diffuse sul territorio urbano consente di quantificare opportunamente i benefici idraulico-ambientali nel loro complesso in termini di prevenzione dei fenomeni di inondazione nonché di riduzione dell’impatto ambientale sui corpi idrici ricettori. 2. IL SITO SPERIMENTALE Al fine di valutare l’influenza del verde pensile sulla gestione e sul controllo delle acque meteoriche in un ambiente urbano tipico della regione mediterranea, in collaborazione con il Comune di Genova e l’Associazione Italiana per il Verde Pensile (A.I.Ve.P.), è stata predisposta l’installazione di un sito dimostrativo per il monitoraggio quali/quantitativo delle acque meteoriche sulla copertura a verde del Laboratorio di Ingegneria Ambientale dell’Università di Genova. Il lotto centrale della copertura a verde del Laboratorio (cfr. Figura 1), di estensione pari a circa 350 m 2 , è stato rinnovato nel Maggio del 2007, con riferimento alle linee guida espresse nella norma UNI 11235 “Istruzioni per la progettazione e la manutenzione di coperture a verde” e parcellizzato in due settori di uguale area, differenziati per la composizione del substrato drenante. La stratigrafia realizzata è costituita da un elemento di impermeabilizzazione (guaina bituminosa con protezione antiradice), un tessuto non tessuto a protezione meccanica della guaina (peso 300 gr/m 2 ), uno strato drenante in materiale granulare (lapillo con granulometria 3/16 mm), un tessuto non tessuto con funzione filtrante (peso 100 gr/m 2 ), uno strato colturale di spessore pari a 0,20 m, realizzato con VULCAFLOR per un settore e con VULCAFLOR addittivato con il 10% di zeolite per l’altro settore. Presso il sito sperimentale è disponibile una centralina meteorologica (stazione 91
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