FGN-0012 · Fognature · Livello Avanzato
Come modellare una fognatura mista in condizioni di pioggia
Criteri pratici per combinare portata nera, infiltrazioni e ruscellamento meteorico in un modello dinamico capace di rappresentare invasi, rigurgiti, sfioratori e allagamenti.
Ultimo aggiornamento: 2026-09-03
In sintesi
Una fognatura mista in condizioni di pioggia deve essere modellata sommando contributi con origine e comportamento differenti: portata nera variabile nel tempo, infiltrazioni di falda, afflussi parassiti dipendenti dalla pioggia e ruscellamento generato dai bacini urbani.
Quando la rete presenta invasi, rigurgiti, sfioratori, sollevamenti, condotte in pressione o possibili inversioni del flusso, il solo calcolo di moto uniforme non è sufficiente. È necessario un modello dinamico con condizioni al contorno coerenti, passi temporali adeguati e controllo dei bilanci di continuità. I risultati devono essere interpretati in termini di livelli, volumi, durata dei sovraccarichi, sfiori e allagamenti, non soltanto di portata massima nei tubi.
Introduzione
Durante un evento meteorico una fognatura mista riceve contemporaneamente acque reflue e ruscellamento urbano. La portata può crescere rapidamente, riempire i collettori, attivare sfioratori, mettere in funzione pompe e invasi e produrre rigurgiti o fuoriuscite dai pozzetti.
Il modello deve descrivere sia la trasformazione della pioggia in afflusso alla rete sia la propagazione idraulica attraverso condotte e manufatti.
Una simulazione affidabile non dipende soltanto dal dettaglio geometrico. È essenziale rappresentare correttamente bacini, superfici impermeabili, perdite, portate di tempo secco, condizioni a valle e regole operative.
La struttura generale del modello
Il modello può essere organizzato in quattro componenti:
1. input meteorologico, costituito da ietogrammi osservati o di progetto; 2. modello idrologico, che trasforma la pioggia efficace in idrogrammi di ruscellamento; 3. apporti di tempo secco e parassiti, comprendenti portata nera, infiltrazioni e inflow; 4. modello idraulico della rete, che propaga le portate attraverso tubazioni, nodi, invasi, sfioratori, pompe e recapiti.
L'output non è un singolo valore, ma una serie temporale di portate, livelli, velocità, volumi invasati, sfiori e allagamenti.
Flusso di costruzione di un modello di fognatura mista, dalla pioggia e dai contributi di tempo secco alla simulazione dinamica di livelli, sfiori e allagamenti.
Separare i contributi di portata
Nel nodo della rete la portata totale può essere schematizzata come:
Qtot(t) = Qnera(t) + Qinf(t) + QRDII(t) + Qrunoff(t)
dove Qnera è la portata reflua di tempo secco, Qinf l'infiltrazione relativamente lenta della falda, QRDII l'afflusso e infiltrazione dipendente dalla pioggia e Qrunoff il ruscellamento direttamente drenato dai bacini urbani.
I contributi non devono essere accorpati senza criterio, perché hanno tempi di risposta e modalità di stima differenti. La loro separazione facilita calibrazione, diagnosi delle criticità e definizione degli interventi.
La pioggia di ingresso
La pioggia può essere rappresentata mediante eventi osservati, ietogrammi sintetici di progetto o serie storiche continue.
Per ogni dato devono essere specificati posizione del pluviometro, intervallo temporale, unità, fuso orario, eventuali dati mancanti e distribuzione spaziale assegnata ai bacini.
Un'altezza totale corretta non garantisce un input adeguato: la forma temporale dello ietogramma influenza sincronizzazione dei contributi e picco in rete. Nei bacini urbani veloci, una discretizzazione troppo grossolana può attenuare artificialmente le intensità critiche.
Eventi osservati e piogge di progetto
Gli eventi osservati sono necessari per calibrare e verificare il modello, perché possono essere confrontati con livelli e portate misurati.
Gli ietogrammi di progetto vengono invece costruiti a partire da curve di possibilità pluviometrica e da una forma temporale scelta. Devono essere coerenti con durata, tempo di ritorno, distribuzione spaziale e obiettivo della verifica.
Un unico evento sintetico non descrive necessariamente tutte le condizioni critiche. Durate brevi possono governare i collettori di testa, mentre durate maggiori possono risultare più gravose per invasi, collettori principali e recapiti.
Suddivisione in sottobacini
Ogni sottobacino deve essere associato a uno o più nodi di ingresso e caratterizzato mediante area, pendenza, impermeabilizzazione, larghezza o tempo di risposta, uso del suolo e percorso di drenaggio.
La discretizzazione deve seguire topografia, rete di caditoie, spartiacque urbani e differenze significative delle superfici. Suddividere eccessivamente senza dati migliori aumenta il numero dei parametri ma non necessariamente l'accuratezza.
Un bacino troppo aggregato può invece mascherare differenze nei tempi di risposta e concentrare l'afflusso nel nodo sbagliato.
Superfici impermeabili e realmente connesse
La percentuale impermeabile totale non coincide sempre con l'area direttamente connessa alla rete.
Tetti, cortili e parcheggi possono scaricare su aree permeabili, sistemi di infiltrazione o serbatoi; altre superfici possono essere collegate direttamente a pluviali e caditoie.
Nel modello deve essere stimata la quota impermeabile effettivamente connessa. Utilizzare tutta l'impermeabilizzazione cartografica come contributo diretto può sovrastimare volumi e picchi, mentre ignorare connessioni private può sottostimarli.
Perdite idrologiche
Prima di trasformarsi in ruscellamento, la pioggia può essere intercettata, immagazzinata nelle depressioni, infiltrata o evaporata.
Il modello delle perdite deve essere coerente con tipo di superficie, suolo, umidità antecedente e durata della simulazione. Parametri come infiltrazione iniziale, capacità a regime e depression storage non devono essere scelti soltanto per adattare il picco.
La verifica dei volumi è essenziale: compensazioni tra area connessa e perdite possono produrre un picco apparentemente corretto con una rappresentazione fisica non credibile.
Trasformazione afflussi-deflussi
Il modello idrologico determina come la pioggia efficace diventa un idrogramma al nodo di ingresso.
I parametri principali controllano volume, tempo di risposta e forma dell'idrogramma. A seconda del metodo possono includere larghezza equivalente, pendenza, scabrezza superficiale, tempo di corrivazione o coefficienti di invaso.
Il metodo deve essere applicato in modo coerente con i dati disponibili. Non è corretto combinare parametri calibrati per una formulazione con equazioni differenti senza nuova verifica.
Portata nera di tempo secco
La portata nera deve essere presente anche durante la pioggia. Può essere rappresentata mediante un valore medio moltiplicato per profili mensili, giornalieri e orari oppure tramite serie temporali misurate.
La distribuzione spaziale deve seguire utenze, popolazione, attività produttive e punti di immissione effettivi. Inserire tutta la portata all'origine del collettore altera livelli e tempi di propagazione.
Per eventi brevi il valore istantaneo all'inizio della pioggia può influenzare il margine disponibile nella rete e l'attivazione degli sfioratori.
Infiltrazione di falda e afflussi parassiti
Le infiltrazioni lente attraverso giunti e difetti possono costituire una portata di base relativamente stabile o stagionale. Gli afflussi dipendenti dalla pioggia rispondono invece con tempi diversi attraverso pluviali impropri, chiusini, drenaggi e terreno saturo.
Questi contributi possono essere rappresentati mediante serie misurate, relazioni con la pioggia o idrogrammi unitari specifici. La distinzione dal ruscellamento direttamente connesso è importante per individuare interventi efficaci.
L'incremento prolungato dopo la fine della pioggia è spesso indicativo di infiltrazioni lente e non deve essere riprodotto aumentando semplicemente l'area impermeabile.
Geometria e topologia della rete
Il modello idraulico deve rappresentare diametri interni, sezioni, quote di fondo, lunghezze, pendenze, scabrezze, perdite localizzate e connessioni tra i nodi.
Errori di quota di pochi centimetri possono cambiare la soglia di attivazione di uno sfioratore o la direzione del flusso. Devono essere controllati pozzetti con salti, condotte cieche, duplicazioni e collegamenti non coerenti.
La semplificazione è possibile quando conserva invaso, capacità e livelli significativi. Eliminare piccoli tratti senza trasferirne correttamente volume e perdite può alterare la risposta dinamica.
Moto uniforme, onda cinematica e onda dinamica
Il moto uniforme è utile per verifiche preliminari e per il dimensionamento di singoli tratti, ma non descrive invaso, rigurgito e variazioni temporali.
L'onda cinematica rappresenta propagazione e invaso in reti prevalentemente dendritiche, ma non gestisce adeguatamente rigurgiti importanti, inversioni di flusso, anelli e funzionamento in pressione.
L'onda dinamica risolve le equazioni complete di continuità e quantità di moto e consente di rappresentare rigurgiti, perdite di ingresso e uscita, inversioni, pressurizzazione e regolatori. È normalmente necessaria nelle reti miste con sfioratori, livelli a valle variabili e sovraccarichi.
Invasi nelle condotte e nei nodi
Durante la pioggia una parte del volume viene temporaneamente immagazzinata nelle condotte, nei pozzetti e nelle vasche.
L'invaso modifica picchi e tempi di attivazione degli sfioratori. Nei nodi la relazione livello-volume deve essere coerente con dimensioni reali o con la superficie equivalente assegnata.
Trascurare grandi camerette e vasche può sovrastimare i picchi; attribuire a tutti i pozzetti superfici eccessive può produrre un'attenuazione artificiale. Il volume iniziale deve inoltre essere considerato quando la rete non è vuota all'inizio dell'evento.
Rigurgiti e funzionamento in pressione
Quando la capacità a valle è insufficiente, il livello può risalire nei collettori e modificare le portate dei tratti a monte. Le condotte possono riempirsi e funzionare temporaneamente in pressione.
Un modello dinamico deve rappresentare livelli ai nodi, quota del cielo, perdite locali e possibile fuoriuscita in superficie.
Il risultato deve essere interpretato con cautela: pressurizzazione numerica non implica automaticamente rottura della condotta, ma segnala carichi idraulici che devono essere confrontati con quote dei chiusini, allacciamenti, edifici e resistenza del sistema.
Pozzetti, allagamento e accumulo superficiale
Quando il livello supera la quota del chiusino, il modello può considerare il volume come perso oppure accumularlo in superficie e consentirne il successivo rientro.
La scelta cambia il bilancio e i livelli. Se il volume fuoriuscito può effettivamente ristagnare vicino al pozzetto, è opportuno rappresentare una curva livello-area o un invaso superficiale. Se defluisce lungo la strada verso altri punti, serve un modello superficiale o un accoppiamento 1D-2D.
Il volume allagato dal modello 1D non indica da solo profondità e danno sul territorio.
Condizioni al contorno ai recapiti
Il livello al recapito può essere costante, variabile nel tempo, legato alla marea, al corso d'acqua o a un'altra rete.
Assumere scarico libero quando il corpo ricettore è alto può sottostimare rigurgiti e allagamenti. È necessario verificare la contemporaneità tra piena del corso d'acqua e pioggia urbana e sviluppare scenari coerenti quando la dipendenza non è nota.
Valvole di non ritorno, paratoie e pompe devono essere rappresentate con le effettive logiche di funzionamento e non soltanto come condizioni ideali.
Modellazione degli sfioratori
Uno sfioratore deve essere rappresentato mediante quote, geometria della soglia, coefficienti di efflusso, rami di uscita e livelli a valle.
La sola portata massima sfiorata non descrive l'impatto. Devono essere calcolati tempo di attivazione, durata, volume totale, numero degli eventi e, quando richiesto, carico inquinante scaricato.
In presenza di rigurgito dal recapito la legge di sfioro può cambiare o invertirsi. La geometria e le condizioni al contorno devono quindi essere verificate insieme.
Pompe, paratoie e regole di controllo
Le stazioni di sollevamento possono essere rappresentate mediante curve portata-prevalenza o relazioni semplificate, associate a livelli di avvio, arresto e alternanza delle pompe.
Tempi di accensione, ritardi, disponibilità delle unità e volume della vasca influenzano il risultato durante gli eventi rapidi.
Paratoie, valvole e regolatori devono utilizzare regole coerenti con l'automazione reale. Un controllo numerico istantaneo e perfetto può sovrastimare le prestazioni rispetto all'impianto esistente.
Simulazione di evento e simulazione continua
La simulazione di un singolo evento è adatta al dimensionamento e all'analisi dettagliata di condizioni specifiche. Richiede però l'assegnazione delle condizioni antecedenti e non descrive la frequenza annuale degli sfiori.
La simulazione continua utilizza serie pluviometriche estese e consente di stimare numero, durata e volume degli eventi, recupero degli invasi e prestazioni delle misure di controllo.
I due approcci rispondono a domande diverse. Per la verifica degli sfioratori e dei piani integrati può essere necessario affiancare agli eventi di progetto una simulazione di lungo periodo.
Condizioni iniziali e periodo di riscaldamento
All'inizio della simulazione la rete può contenere portata nera, infiltrazioni e volumi residui. Suolo e dispositivi di controllo possono trovarsi in condizioni diverse a seconda delle piogge precedenti.
Avviare un evento con rete e bacini completamente asciutti può sottostimare la risposta. Un periodo di riscaldamento o una serie antecedente permette al modello di raggiungere condizioni più realistiche.
Per gli scenari di progetto devono essere dichiarate le ipotesi su umidità del suolo, riempimento degli invasi, livello del recapito e disponibilità delle pompe.
Passo temporale e stabilità numerica
Il passo della pioggia, il passo di calcolo idrologico e quello di propagazione idraulica svolgono funzioni differenti.
Il passo idraulico deve essere sufficientemente piccolo rispetto ai tempi di transito e alle variazioni dei livelli. Condotte molto corte, grandi differenze di quota e regolatori possono richiedere riduzioni automatiche o manuali.
Oscillazioni, portate irregolari e grandi errori di continuità possono indicare instabilità. Ridurre il passo non sostituisce la correzione di errori geometrici, volumi nodali irrealistici o leggi di controllo discontinue.
Controllo del bilancio di continuità
Ogni simulazione deve essere accompagnata dal controllo dei bilanci idrologico e idraulico.
Per il bacino devono essere confrontati pioggia, infiltrazione, perdite, ruscellamento e variazione dell'invaso. Per la rete devono essere confrontati afflussi, deflussi, sfiori, allagamenti e variazioni del volume interno.
Un risultato graficamente plausibile non è affidabile se l'errore di continuità è elevato. La soglia accettabile dipende dal modello e dall'uso, ma valori anomali devono essere spiegati e corretti prima di interpretare i risultati.
Calibrazione del modello
La calibrazione richiede eventi con pioggia e risposta della rete misurate nello stesso intervallo temporale.
È opportuno procedere per fasi: prima portate di tempo secco, poi volumi meteorici, tempi e forma degli idrogrammi, infine livelli e distribuzione dei flussi nella rete.
I parametri devono restare fisicamente plausibili. Correggere ogni differenza modificando scabrezze o impermeabilizzazione può nascondere errori di topologia, sensori, allacciamenti o condizioni al contorno.
Validazione e prestazioni
Dopo la calibrazione il modello deve essere verificato su eventi differenti senza modificare nuovamente i parametri principali.
Le prestazioni possono essere valutate confrontando volume, picco, tempo del picco, livelli massimi, durata dei sovraccarichi e attivazione degli sfioratori.
Una buona corrispondenza in un solo punto non garantisce che la distribuzione interna sia corretta. Quando possibile, devono essere utilizzati più pluviometri e misure in sezioni idraulicamente significative.
Analisi di sensibilità e scenari
I parametri più incerti devono essere variati entro intervalli plausibili: area direttamente connessa, perdite, tempi di risposta, portata parassita, scabrezza e livelli a valle.
Devono inoltre essere analizzati scenari di ostruzione, indisponibilità di pompe, urbanizzazione futura e misure di drenaggio sostenibile.
Per valutazioni di lungo periodo è opportuno considerare proiezioni climatiche aggiornate e non applicare automaticamente un unico incremento percentuale a ogni durata e frequenza senza motivazione.
Quali risultati leggere
Per ogni nodo e tratto sono utili serie temporali e valori sintetici di:
- portata, tirante, velocità e grado di riempimento;
- livello idraulico e margine rispetto al piano campagna;
- durata della pressurizzazione e del sovraccarico;
- volume invasato nelle condotte e nei manufatti;
- portata, durata e volume degli sfiori;
- volume fuoriuscito e sua possibile destinazione superficiale;
- funzionamento di pompe e regolatori.
La mappa del solo massimo può perdere informazioni sulla sequenza degli eventi e sulla causa della criticità.
Un esempio di impostazione
Si consideri un bacino misto di 25 ha, suddiviso in sottobacini associati ai nodi della rete. Il modello include ietogramma con passo di 5 minuti, aree impermeabili realmente connesse, portate nere con profilo orario e un contributo parassita calibrato.
La rete presenta un collettore rigurgitato dal recapito, uno sfioratore e una vasca. Viene quindi utilizzata una propagazione dinamica con livello a valle variabile.
La simulazione mostra che la portata massima nel collettore non coincide con il massimo sfioro: il volume invasato ritarda l'attivazione, mentre l'aumento del livello al recapito prolunga la durata dello scarico. L'esempio evidenzia perché il risultato debba essere letto nel tempo e non soltanto mediante valori di picco.
Errori frequenti
Tra gli errori più comuni rientrano:
- sommare portata nera e meteorica senza distinguerne l'andamento temporale;
- utilizzare tutta l'area impermeabile come direttamente connessa;
- associare grandi bacini a un unico nodo non rappresentativo;
- usare un passo di pioggia troppo grande per il tempo di risposta urbano;
- applicare il moto uniforme in presenza di rigurgiti e sfioratori;
- assumere sempre scarico libero al recapito;
- ignorare infiltrazioni, afflussi parassiti e condizioni antecedenti;
- rappresentare pompe e paratoie con controlli ideali;
- valutare soltanto portata massima e diametro;
- trascurare volumi, durata degli sfiori ed errori di continuità;
- calibrare modificando parametri non fisici;
- interpretare il volume fuoriuscito da un modello 1D come mappa di allagamento.
Una procedura pratica
Una procedura operativa può essere articolata nei seguenti passaggi:
1. definire obiettivi, indicatori e scala del modello; 2. raccogliere geometria, quote, manufatti, recapiti e regole operative; 3. controllare piogge, livelli e portate disponibili; 4. delimitare e caratterizzare i sottobacini; 5. stimare superfici realmente connesse e perdite idrologiche; 6. inserire portate nere, infiltrazioni e afflussi dipendenti dalla pioggia; 7. costruire la rete con diametri interni, quote e volumi coerenti; 8. rappresentare sfioratori, vasche, pompe e condizioni al contorno; 9. scegliere il metodo di propagazione e i passi temporali; 10. calibrare e validare con eventi misurati; 11. controllare bilanci, stabilità e plausibilità dei risultati; 12. simulare eventi di progetto, serie continue e scenari di intervento; 13. documentare dati, ipotesi, parametri, limiti e indicatori finali.
Riferimenti tecnici e limiti di applicazione
La UNI EN 752:2017 costituisce il riferimento generale vigente per requisiti funzionali, pianificazione, progettazione, installazione, esercizio, manutenzione e risanamento dei sistemi di scarico e fognatura esterni agli edifici.
Il manuale EPA SWMM 5.2 descrive un modello dinamico afflussi-deflussi per aree urbane, capace di rappresentare bacini, portate di tempo secco, apporti dipendenti dalla pioggia e propagazione idraulica mediante moto uniforme, onda cinematica o onda dinamica.
La Direttiva (UE) 2024/3019 richiede, per i piani integrati e secondo le condizioni di applicazione previste, analisi dinamiche delle reti miste basate su monitoraggio o modelli idrologici, idraulici e di qualità che considerino le proiezioni climatiche.
Il software non sostituisce la qualità dei dati e il giudizio progettuale. Metodo, parametri e livello di dettaglio devono essere proporzionati all'obiettivo e dichiarati nella relazione.
Conclusioni
La modellazione di una fognatura mista in pioggia richiede l'integrazione di idrologia urbana e idraulica di rete.
Portata nera, infiltrazioni, afflussi parassiti e ruscellamento devono essere rappresentati separatamente e combinati nel tempo. In presenza di rigurgiti, sfioratori e pressurizzazione è normalmente necessario un modello dinamico con condizioni al contorno coerenti.
L'affidabilità deve essere dimostrata mediante bilanci di continuità, calibrazione, validazione e analisi di sensibilità. I risultati significativi comprendono livelli, volumi, durata dei sovraccarichi, sfiori e allagamenti, oltre alle portate massime.
Software correlati
Domande frequenti
In una fognatura mista la portata nera va aggiunta anche durante la pioggia?
Sì. Deve essere rappresentata con il valore e il profilo temporale plausibili per l'ora dell'evento, insieme a infiltrazioni, afflussi parassiti e ruscellamento meteorico.
Quando è necessario utilizzare l'onda dinamica?
È normalmente necessaria quando sono presenti rigurgiti, condotte in pressione, inversioni di flusso, anelli, sfioratori, pompe, regolatori o livelli a valle variabili.
L'area impermeabile coincide con quella connessa alla rete?
Non sempre. Tetti e piazzali possono scaricare su suolo, invasi o sistemi di riuso. Il modello deve stimare la superficie impermeabile realmente collegata ai nodi.
Basta verificare la portata massima nelle condotte?
No. Devono essere controllati anche livelli, durata dei sovraccarichi, volumi invasati, sfiori, funzionamento dei regolatori e volume fuoriuscito dai pozzetti.
Un modello 1D può produrre una mappa di allagamento?
Può stimare il volume fuoriuscito dai nodi, ma per distribuire l'acqua sul territorio e calcolare profondità e velocità è necessario rappresentare il deflusso superficiale, spesso mediante un modello accoppiato 1D-2D.
Come si verifica che la simulazione sia numericamente affidabile?
Occorre controllare errori di continuità, stabilità delle serie temporali, sensibilità al passo di calcolo e plausibilità di livelli e portate, oltre alla calibrazione con dati misurati.