MINISTERUL EDUCAȚIEI NAȚIONALE

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREȘTI

FACULTATEA DE HIDROTEHNICĂ

Ing. Dan Rădulescu

______

UTILIZAREA METODELOR DE DEZVOLTARE CU IMPACT REDUS PENTRU

MANAGEMENTUL APELOR PLUVIALE URBANE

- TEZA DE DOCTORAT -

Conducător de doctorat

Prof. dr. ing. Gabriel Racovițeanu

2018

CUPRINS

2

CUPRINS

1 Introducere ........................................................................................................................... 8

1.1 Metode curente de proiectare a sistemelor de colectare a apelor pluviale ........................ 9

1.1.1 Scurt istoric al sistemelor de canalizare ......................................................................... 9

1.1.2 Tipuri de sisteme de canalizare .................................................................................... 13

1.1.3 Principii de proiectare – canalizare unitară ................................................................. 14

1.1.4 Canalizarea unitară – avantaje și dezavantaje ............................................................. 23

1.1.5 Principii de proiectare – canalizare separativă ............................................................ 24

1.1.6 Canalizarea separativă – avantaje și dezavantaje........................................................ 28

1.1.7 Analiza comparativă ..................................................................................................... 28

2 Efectele urbanizării ............................................................................................................. 30

2.1 Aspecte ale poluării apelor meteorice în mediul urban...................................................... 30

2.2 Gospodărirea calității apei meteorice și din topirea zăpezii în mediul urban .................... 32

2.3 Impactul hidrologic al urbanizării ........................................................................................ 32

2.4 Poluarea apelor de suprafață provenite din ploi și/sau zăpezi în mediul urban ................ 34

2.5 Descrierea poluanților tipici pentru mediul urban ............................................................. 35

2.6 Poluanții grosieri și deșeurile urbane .................................................................................. 36

2.7 Sedimentele și substanțele solide în suspensie .................................................................. 38

2.8 Nutrienții ............................................................................................................................. 40

2.9 Microorganismele ............................................................................................................... 41

2.10 Consumul de oxigen ............................................................................................................ 42

2.11 Metalele și substanțele organice sintetice toxice ............................................................... 42

2.12 Uleiurile minerale și surfactanții (detergenții) .................................................................... 43

2.13 Distribuția temporală a poluanților în apa meteorică ........................................................ 43

3 Procesul de planificare a măsurilor de control ................................................................... 45

3.1 Descrierea procesului de planificare ................................................................................... 45

3.2 Determinarea condițiilor existente ..................................................................................... 46

3.3 Pregătirea descrierii amenajării integrate a bazinului hidrografic urban ........................... 47

3.4 Tipuri de date care caracterizează bazinul .......................................................................... 48

3.5 Surse de date cartografice și de date pentru bazinul hidrografic ....................................... 52

3.6 Analiza datelor de bazin ...................................................................................................... 53

3.7 Pregătirea hărților de amenajare integrată a bazinului hidrografic ................................... 53

3.8 Utilizarea hărților de amenajare integrată a bazinului hidrografic ..................................... 54

CUPRINS

3

3.9 Analiza practicilor de control și legislației administrației locale ......................................... 54

3.10 Sinteza descrierii unei amenajări integrate de bazin hidrografic ....................................... 56

3.11 Pregătirea descrierii emisarului .......................................................................................... 56

3.12 Tipuri de date pentru emisar............................................................................................... 56

3.13 Surse de date despre sursele de apă................................................................................... 57

3.14 Analiza datelor despre sursele de apă ................................................................................ 57

3.15 Cuprinsul descrierii emisarului ............................................................................................ 57

3.16 Sinteza ................................................................................................................................. 58

3.17 Colectarea și analiza datelor suplimentare ......................................................................... 59

3.18 Obiectivele colectării de date .............................................................................................. 59

3.19 Analiza condițiilor existente ................................................................................................ 59

3.20 Rafinarea identificării problemelor ..................................................................................... 60

3.21 Calcularea încărcărilor cu poluanți ...................................................................................... 60

3.22 Furnizarea de date pentru modelele de calcul ................................................................... 60

3.23 Abordarea surselor de poluare și a zonelor de resurse importante ................................... 61

3.24 Colectarea de date datorită cerințelor legale ..................................................................... 61

3.25 Programe de colectare a datelor ......................................................................................... 61

3.26 Proiectarea programului de colectare a datelor ................................................................. 61

3.27 Selecția parametrilor ........................................................................................................... 62

3.28 Selecția stațiilor de monitorizare ........................................................................................ 63

3.29 Prelevarea de probe pentru caracterizarea calității apelor meteorice urbane .................. 63

3.30 Prelevarea de probe pentru caracterizarea calității emisarului ......................................... 64

3.31 Prelevarea de probe pentru caracterizarea calității sedimentelor ..................................... 64

3.32 Prelevarea de probe biologice ............................................................................................ 64

3.33 Frecvența colectării de date ................................................................................................ 64

3.34 Planificarea programului de colectare a datelor ................................................................. 64

3.35 Asigurarea calității/controlul calității .................................................................................. 65

3.36 Laboratoarele de analiză ..................................................................................................... 65

3.37 Sinteza metodelor de control al apelor pluviale ................................................................. 65

3.38 Sumar și concluzii ................................................................................................................ 66

4 Rezultate experimentale privind calitatea apei meteorice urbane .................................... 68

4.1 Obiective .............................................................................................................................. 68

4.2 Instrucțiuni pentru colectarea probelor de apă meteorică ................................................ 70

CUPRINS

4

4.3 Trusă pentru prelevarea probelor de apă meteorică ......................................................... 71

4.4 Locația aleasă pentru prelevarea probelor ......................................................................... 72

4.5 Metodologia de prelevare a probei .................................................................................... 74

4.6 Datele calendaristice ale monitorizării ................................................................................ 75

4.7 Trecere în revistă a standardelor de calitate a apei deversate din diverse țări ................. 75

4.8 România (Uniunea Europeană) ........................................................................................... 76

4.9 Statele Unite ale Americii .................................................................................................... 77

4.9.1 California ...................................................................................................................... 77

4.9.2 Statul New York ............................................................................................................ 80

4.10 Canada ................................................................................................................................. 82

4.11 Australia ............................................................................................................................... 84

4.12 Comparație a calității apei meteorice urbane de șiroire vs. diferite normative românești și internaționale ...................................................................................................................... 90

4.13 Rezultate .............................................................................................................................. 93

4.14 Analiza rezultatelor bacteriologice...................................................................................... 97

4.15 Analiza rezultatelor fizico-chimice ...................................................................................... 98

5 Utilizarea metodelor de dezvoltare cu impact redus în preluarea apelor pluviale urbane 101

5.1 Poluarea apelor meteorice din mediul urban în era schimbărilor climatice .................... 101

5.2 Noi abordări privind gospodărirea calității apei meteorice și din topirea zăpezii în mediul urban ................................................................................................................................. 104

5.3 Metode și strategii pentru controlul cantității și calității apelor pluviale de scurgere ..... 106

5.4 Trusa de măsuri de control al surselor, soluții bazate pe natură ...................................... 109

5.4.1 Deconectarea suprafețelor impermeabile ................................................................. 110

5.4.2 Cutii cu plante ............................................................................................................ 111

5.4.3 Fâșii vegetative de filtrare, șanțuri înierbate ............................................................. 112

5.4.4 Acoperișuri verzi ......................................................................................................... 113

5.4.5 Colectori de apă de ploaie ......................................................................................... 113

5.4.6 Pavaj permeabil .......................................................................................................... 114

5.4.7 Grădini vegetale ......................................................................................................... 115

5.4.8 Bioretenția ................................................................................................................. 115

5.4.9 Fâșii vegetative uscate ............................................................................................... 117

5.4.10 Fâșie vegetativă umedă ............................................................................................. 117

5.4.11 Tehnici de filtrare ....................................................................................................... 118

CUPRINS

5

5.4.12 Zonele umede construite ........................................................................................... 119

5.4.13 Iaz umed ..................................................................................................................... 119

5.4.14 Iaz cu retenție extinsă ................................................................................................ 120

5.5 Studiu de caz ..................................................................................................................... 121

6 Concluzii ............................................................................................................................ 124

Bibliografie ....................................................................................................................................... 126

TABELE Tabelul 2.1. Sumar al poluanților în apa de șiroire în mediul urban. ...................................................... 34 Tabelul 2.2. Criteriile recomandate de Agenția de Protecția Mediului S.U.A. (USEPA) pentru calitatea

apeilor naturale folosite pentru îmbăiere .................................................................................................. 41 Tabelul 2.3. Parametrii de calitate pentru apele naturale de îmbăiere – apele interiore din România

conform Hotărârii de Guvern nr. 546/2008 (actualizată) ......................................................................... 42 Tabelul 2.4. Principalele surse de metale în apele meteorice - adaptat după Makepeace et al.[36] ...... 42 Tabelul 2.5. Caracteristicile polutografului – sistem de canalizare unitar, München, Germania ............ 43 Tabelul 3.1. Metode de planificare. .......................................................................................................... 45 Tabelul 3.2. Tipuri de elemente ce pot fi utilizate pentru reprezentare în planificarea activităților de

prevenirea și controlul poluării apei meteorice urbane. ........................................................................... 48 Tabelul 3.3. Folosințele terenului și o posibilă sistematizare a clasificării acoperirii terenului. ............... 50 Tabelul 3.4. Practici urbane de control al surselor de poluare. ............................................................... 54 Tabelul 3.5. Frecventa și tipul de practici nestructurale folosite în zona de studiu al bazinului. ............. 54 Tabelul 3.6. Sumarul practicilor de control la nivel de subdiviziune. ....................................................... 55 Tabelul 3.7. Parametri de analiză a apelor meteorice. ............................................................................ 62 Tabelul 4.1. Obiective ............................................................................................................................... 68 Tabelul 4.2. Constituenti analizati. ........................................................................................................... 70 Tabelul 4.3. Evenimente.......................................................................................................................... 75 Tabelul 4.4. Parametri de calitate pentru îmbăiere – apele interioare România .................................... 76 Tabelul 4.5. Constituenți selectivi poluanți prioritari – California Toxics Rule ........................................ 79 Tabelul 4.6. Sumar cu standarde de calitatea apei pentru constituenți toxici pentru clasele de folosință

AA și A conform 6 CRR-NY 703.5 ........................................................................................................... 81 Tabelul 4.7. Sumar cu standarde de calitatea apei pentru coliformi pentru diferite clase de folosință

conform 6 CRR-NY 703.4 ........................................................................................................................ 82 Tabelul 4.8. Ghid pentru calitatea apei folosite în scop recreațional - Canada; sumar .......................... 82 Tabelul 4.9. Limitele de deversare în sistemul unitar de canalizare - Toronto ....................................... 83 Tabelul 4.10. Limitele pentru apele deversate în sistemul separat de ape meteorice - Toronto ........... 83 Tabelul 4.11. Sumar de valori ghid pentru calitatea apei dulci pentru substanțe toxice la diferite nivele

de protecție– bazat pe Ghidul de calitatea apei al Australiei și Noii Zeelande pentru ape dulci și marine

.................................................................................................................................................................. 85 Tabelul 4.12. Valori ghid ale caracteristicilor microbiologice pentru folosințe recreaționale. ................ 85 Tabelul 4.13. Comparație calitate apa meteorică urbană vs. Diferite normative românești și

internaționale - 1: ...................................................................................................................................... 90 Tabelul 4.14. Comparație calitate apa meteorică urbană vs. diferite normative românești și

internaționale: ........................................................................................................................................... 91 Tabelul 4.15. Rezultatele monitorizării bacteriologice ............................................................................. 97

FIGURI

CUPRINS

6

Figura 1.1. Cot și racord T găsit la Nippur, Babilonia, circa 4000 î.e.c. Sursa: [1]. ................................ 10 Figura 1.2. Colector de canalizare Saint-Denis, 1810. ........................................................................... 11 Figura 1.3. Sistemul de canalizare al Londrei în 1882 - de Rudolf Hering, - Sewerage Works in Europe.

.................................................................................................................................................................. 12 Figura 1.4. Sistemul de canalizare unitar. ............................................................................................... 15 Figura 1.5. Sisteme de canalizare Philadelphia. ..................................................................................... 16 Figura 1.6. Sisteme de canalizare New York. ......................................................................................... 17 Figura 1.7. Sisteme de canalizare Winnipeg........................................................................................... 19 Figura 1.8. Schema de canalizare a unei localități mici. ......................................................................... 20 Figura 1.9. Sistemul de canalizare separativ. ......................................................................................... 24 Figura 1.10. Zonarea României privind intensitatea ploii de calcul. ....................................................... 27 Figura 1.11. Diagrama Intensitate-Durata-Frecvența (IDF) pentru zona 8 (București) cf. STAS 9470/73.

.................................................................................................................................................................. 28 Figura 1.12. Analiza tehnică privind selectarea și dimensionarea sistemului de canalizare. ................. 29 Figura 2.1. Schimbări tipice în debitul de șiroire datorită suprafețelor impermeabile [29]. ..................... 33 Figura 2.2. Regimul hidraulic pre și post dezvoltare urbană. .................................................................. 33 Figura 2.3. Râu în stare naturală............................................................................................................. 34 Figura 2.4. Deșeuri urbane. ..................................................................................................................... 37 Figura 2.5. Compoziția gunoiului urban [30]. .......................................................................................... 37 Figura 2.6. Compoziția poluanților grosieri în mediul urban [30]. ........................................................... 37 Figura 2.7. Sedimente. ............................................................................................................................ 39 Figura 2.8. Proliferarea algelor. ............................................................................................................... 40 Figura 3.1. GIS România. ........................................................................................................................ 49 Figura 3.2. GIS București. ....................................................................................................................... 52 Figura 4.1. Monitorizare........................................................................................................................... 69 Figura 4.2. Planificarea protocolului de prelevare de probe. .................................................................. 69 Figura 4.3. Raportarea. ........................................................................................................................... 69 Figura 4.4. Reactivi chimici. .................................................................................................................... 70 Figura 4.5. Trusă prelevare probe. .......................................................................................................... 72 Figura 4.6. Locația prelevării probelor de apă meteorică. ....................................................................... 73 Figura 4.7. Punctul de colectare a probelor de apă meteorică. ............................................................... 74 Figura 4.8. Prelevare probă. .................................................................................................................... 74 Figura 4.9. Regimul precipitațiilor pe perioada monitorizării. ................................................................... 75 Figura 4.10. O compilare a criteriilor de calitatea apei - California. ......................................................... 78 Figura 4.11. Exemple de folosințe protejate de standardele de calitatea apei. ....................................... 85 Figura 4.12. Rezultatele analitice parametrii fizico-chimici – evenimentul 1. .......................................... 93 Figura 4.13. Rezultatele analitice parametrii bacteriologici – evenimentul 1. ......................................... 94 Figura 4.14. Rezultatele analitice parametrii fizico-chimici – evenimentul 2. .......................................... 94 Figura 4.15. Rezultatele analitice parametrii fizico-chimici – evenimentul 3. .......................................... 95 Figura 4.16. Rezultatele analitice parametrii fizico-chimici – evenimentul 4. .......................................... 95 Figura 4.17. Rezultatele analitice parametrii bacteriologici – evenimentul 4. ......................................... 96 Figura 4.18. Rezultatele analitice parametrii fizico-chimici – evenimentul 5. .......................................... 96 Figura 4.19. Rezultatele analitice parametrii bacteriologici – evenimentul 5. ......................................... 96 Figura 4.20. Analiza monitorizării bacteriologice 1 .................................................................................. 97 Figura 4.21. Analiza monitorizării bacteriologice 2 .................................................................................. 98 Figura 4.22. Analiza monitorizării bacteriologice 3 .................................................................................. 98 Figura 4.23. Analiza monitorizării parametrilor fizico-chimici 1 ................................................................ 98 Figure 4.24. Analiza monitorizării parametrilor fizico-chimici 2 ................................................................ 99 Figure 4.25. Analiza monitorizării parametrilor fizico-chimici 3 ................................................................ 99 Figure 4.26. Analiza monitorizării parametrilor fizico-chimici 4 ................................................................ 99 Figure 4.27. Analiza monitorizării parametrilor fizico-chimici 5 .............................................................. 100 Figura 5.1. Avantajele infrastructurii ecologice ...................................................................................... 103 Figura 5.2. Schimbări hidrologice........................................................................................................... 104

CUPRINS

7

Figura 5.3. Poluanți în apa meteorică de șiroire. ................................................................................... 105 Figura 5.4. Trenul de tratare. ................................................................................................................. 105 Figura 5.5. Fluxul aplicării măsurilor de control. .................................................................................... 105 Figura 5.6. Managementul apelor pluviale. ............................................................................................ 107 Figura 5.7. Soluții bazate pe natură pentru controlul debitelor de ape pluviale. ................................... 108 Figura 5.8. Infrastructura ecologică........................................................................................................ 108 Figura 5.9. Deconectarea acoperișului. ................................................................................................. 110 Figura 5.10. Deconectarea zonelor impermeabile. ................................................................................ 110 Figura 5.11. Cutii cu plante. ................................................................................................................... 111 Figura 5.12. Fâșie vegetativă. ................................................................................................................ 112 Figura 5.13. Șanț înierbat. ...................................................................................................................... 112 Figura 5.14. Acoperiș verde. .................................................................................................................. 113 Figura 5.15. Rezervor de colectare. ....................................................................................................... 114 Figura 5.16. Pavaj permeabil. ................................................................................................................ 114 Figura 5.17. Grădină vegetală. ............................................................................................................... 115 Figura 5.18. Bioretenție. ......................................................................................................................... 116 Figura 5.19. Fâșie vegetativă uscată. .................................................................................................... 117 Figura 5.20. Fâșie vegetativă umedă. .................................................................................................... 118 Figura 5.21. Filtru ape meteorice. .......................................................................................................... 118 Figura 5.22. Zonă umedă construită. ..................................................................................................... 119 Figura 5.23. Iaz umed. ........................................................................................................................... 120 Figura 5.24. Iaz cu retenție extinsă. ....................................................................................................... 120 Figura 5.25. Cartier rezidential Lamb Drove. ......................................................................................... 121 Figura 5.26. Pavaj permeabil (Royal Haskoning). ................................................................................. 122 Figura 5.27. Acoperiș verde (Royal Haskoning). ................................................................................... 122 Figura 5.28. Fâșie vegetativă (Royal Haskoning). ................................................................................. 122 Figura 5.29. Bazin de retenție (Royal Haskoning). ................................................................................ 123 Figura 5.30. Comparație în nivelul metalelor grele între Lamb Drove și o locație de control (Royal

Haskoning). ............................................................................................................................................ 123

CAPITOLUL 1 Introducere

8

1 Introducere

Acest proiect de cercetare își propune să fie un punct de plecare și să creeze cadrul pentru promovarea DEZvoltării cu Impact Redus (DEZIR) în mediul urban și inițierea adoptării, testării și implementării metodologiilor de infrastructură ecologică, a soluțiilor bazate pe natură în zonele urbane din România. Aceste tehnologii fac parte din conceptul mai larg de dezvoltare durabilă, sustenabilă și management integrat al resurselor de apă și se adresează provocarii globale pusă de dramaticele schimbări climatice care au loc în momentul de față.

Proiectul își propune, printre altele, să investigheze efectele existenței unor suprafețe impermeabile extinse în zonele urbane. De asemenea, propune trecerea în revistă a unui plan de măsuri care să permită evaluarea situației existente în bazinul hidrografic urban, modalități pentru a estima profilul și cantitățile de poluanți preluate de apa pluvială deversată datorită caracteristicilor diferitelor zone sursă, încercând să determine și impactul asupra ecosistemelor acvatice. În plus, proiectul propune și o trecere în revistă a tehnologiilor avute la dispoziție pentru a controla și atenua efectele dăunătoare dar și modalități practice de implementare de măsuri administrative cât și in-situ pentru controlul calității apelor pluviale deversate. O trăsătură semnificativă de care trebuie ținut cont este faptul că, cu cât se începe considerarea noilor metode de abordare mai devreme în procesul de planificare, cu atât este mai bine. Procesul de proiectare al noilor zone urbane ar trebui să folosească o metodologie de control sistematică, focalizată pe reținerea și infiltrarea apei meteorice aproape de sursă, la locul de cădere al ploii, în condiții de siguranță, deconectând suprafețele impermeabile conectate. Procesul de proiectare ar trebui să pornească cât mai aproape de sursă, la nivelul parcelei individuale, progresând prin analiza și implementarea diverselor metode la nivel de cartier, apoi la nivel de sub-bazin și de bazin hidrografic cu scopul de a păstra hidrologia post-dezvoltare la nivelul celei de pre-dezvoltare.

Un alt scop al proiectului este evaluarea proprietăților fizico-chimice, bacteriologice și biologice ale apei meteorice de șiroire care este deversată în sistemul de colectare urban dintr-o zonă cu specific rezidențial. Ca rezultat al cercetării s-au obținut date, în premieră pentru România, care caracterizează calitatea apei meteorice urbane deversate, ca un precursor al modelării de scenarii de implementare a tehnologiilor de infrastructură ecologică și a celor mai bune practici de management ale calității și cantității apei meteorice în mediul urban.

Activitățile propuse de acest proiect se bazează pe cercetarea și măsurile implementate în diferite zone ale globului dar și pe inițiative la nivel național și European care încurajează această abordare:

“Comisia Europeană a adoptat o nouă strategie pentru încurajarea utilizării infrastructurilor ecologice și pentru a garanta că valorificarea proceselor naturale va deveni, în mod sistematic, o componentă a amenajării teritoriului. Infrastructurile ecologice sunt instrumente testate și dovedite care, cu ajutorul naturii, oferă beneficii ecologice, economice și sociale. De exemplu, o soluție alternativă la construirea infrastructurilor de protecție împotriva inundațiilor ar fi să se permită zonelor umede naturale să absoarbă excesul de apă în urma precipitațiilor abundente…” Infrastructurile ecologice sunt adesea mai ieftine și mai durabile decât alternativele oferite de ingineria civilă convențională. Elementele de infrastructură ecologică din mediul urban, precum acoperișurile verzi, parcurile și „drumurile verzi” contribuie la sănătatea umană, la rezolvarea problemelor sociale, la economisirea de energie și la drenarea surplusului de apă. Elementele centrale ale strategiei sunt:

CAPITOLUL 1 Introducere

9

• promovarea infrastructurilor ecologice în principalele domenii de politică, precum agricultura, silvicultura, natura, apa, mediul marin și pescuitul, politica regională și de coeziune, atenuarea schimbărilor climatice și adaptarea la acestea, transporturile, energia, prevenirea dezastrelor și utilizarea terenurilor;

• îmbunătățirea calității cercetării și a calității datelor, consolidarea bazei de cunoștințe și promovarea tehnologiilor inovatoare care susțin infrastructurile ecologice;

• îmbunătățirea accesului la finanțare pentru proiecte de infrastructuri ecologice (IE) — până în 2014, Comisia va institui, împreună cu Banca Europeană de Investiții, un mecanism de finanțare din partea UE pentru a susține proiecte de infrastructuri ecologice;

• susținerea proiectelor IE la nivelul UE — până la sfârșitul anului 2015, Comisia va efectua un studiu pentru a evalua posibilitățile de dezvoltare a unei rețele paneuropene de infrastructuri ecologice.”1

Pe de altă parte, normativul românesc "Partea a II-a: Sisteme de canalizare a localităților. Indicativ NP 133/2-2013", descrie pe scurt, câteva din conceptele enumerate mai sus:

“(5) Canalizarea în procedeu separativ se dezvoltă pe baza:

a) Principiului reținerii apei din ploi la locul de cădere şi execuția de bazine de infiltrație - acumulare cu/fără reutilizarea acestor ape;

b) Reducerii suprafețelor impermeabile în amenajările urbane;

c) Creșterii exigențelor de întreținere şi curățenie a spațiilor urbane amenajate şi a creșterii suprafețelor specifice (m2/loc.) de spații verzi.”

1.1 Metode curente de proiectare a sistemelor de colectare a apelor pluviale

1.1.1 Scurt istoric al sistemelor de canalizare

Încă din timpurile antice oamenii au recunoscut beneficiile colectării, transportului și evacuării deșeurilor domestice și a apelor meteorice. Cercetări arheologice făcute în vechea Babilonie și Mesopotamie (4000- 2000 î.e.c.) au descoperit că acele comunități aveau sisteme de drenaj ale apei de ploaie [1]. Vechii Mesopotamieni aveau canale de colectare a apei de ploaie pe străzi care erau construite din cărămizi coapte la soare sau piatră tăiată. Câteva case erau chiar conectate sistemului de colectare. În Babilonul antic (actualul Irak), în unele din casele mai mari, oamenii evacuau deșeurile domestice printr-o deschidere în podea într-o încăpere mică a rezidenței. Deșeurile cădeau într-o hazna situată sub casă. Aceste haznale erau construite de obicei din cilindrii de argilă arsă perforați, care variau în diametru între 45 și 90 de centimetri, care erau stivuite unele peste celelalte. Spațiul din jurul haznalelor (circa 30 cm) era adesea umplut cu cioburi de ceramică ca să permită o percolare mai bună a deșeurilor [1].

Mai târziu, alte civilizații, precum cea Egeeană (Minoică) din insula Creta (3000 – 100 î.e.c), au demonstrat cunoștințe de “hidraulică” destul de dezvoltate. Până în vremurile Imperiului Roman, canalizările și instalațiile de apă minoice au fost cele mai dezvoltate în lumea antică

1 Comisia Europeană, România, Știri - http://ec.europa.eu/romania/news/07052013_infrastructuri_ecologice_ro.htm

http://ec.europa.eu/romania/news/07052013_infrastructuri_ecologice_ro.htm

CAPITOLUL 1 Introducere

10

vestică. Sistemele de drenaj erau făcute din țevi de teracotă și sistemele de canalizare din piatră deschise la partea superioară transportau în primul rând apa de ploaie dar și deșeuri menajere. Multe dintre canalele de atunci mai sunt în folosință și astăzi în Creta. În partea estică a lumii antice, descoperiri făcute în orașul Mohenjo-daro, legate de civilizația Indusului din Pakistanul de azi, au arătat existența sistemelor de canalizare pe străzi, făcute din cărămizi cu secțiuni rectangulare. La capătul conductelor erau grătare din lemn. Apele uzate intrau în haznale (gropi de percolare) căptușite cu cărămidă sau erau dirijate către râurile locale pentru evacuare [1].

Figura 1.1. Cot și racord T găsit la Nippur, Babilonia, circa 4000 î.e.c. Sursa: [1].

În vechiul Egipt și Iudeea (2000 – 500 î.e.c) anumite rezidențe ale aristocrației aveau țevi din cupru care transportau apă caldă și rece. Multe dintre ceremoniile religioase includeau spălarea. Curățenia corpului reprezenta puritatea morală sub legile regilor David și Solomon. În Egipt, anumite case “sus-puse” aveau “toalete”, ele aveau straturi de nisip pentru colectarea apelor uzate menajere care erau curățate regulat de servitori [1].

În Grecia (300 î.e.c. – 500 e.c.), canalizarea din Atena transporta apa de ploaie și apa uzata către un bazin de colectare în afara orașului prin conducte căptușite cu cărămizi către câmpuri pentru a fertiliza livezile de fructe și alte culturi [1].

În Roma antică (800 î.e.c. – 300 e.c.) sistemele complexe de canalizare au evoluat, la început, și în primul rând, pentru apele de ploaie și pentru a seca mlaștinile. Prima rețea de canalizare a fost construită între 800 și 735 î.e.c. Conectarea directă a caselor la sistemul de canalizare a apelor uzate n-a fost obligatorie până aproape de anul 100 e.c. Costul a fost un factor, de asemenea, o astfel de obligație era considerată atunci o violare a dreptului la intimitate. Apa uzată provenind de la băile publice și latrinele adiacente era descărcată în canalizare. Este demn de notat că romanii recunoșteau valoarea apei, care era transportată către orașe prin apeducte, de multe ori de la distanțe de 35 – 45 de kilometri. Ca atare, orice apă uzată de la băile publice era adesea refolosită, frecvent ca apă de curățare care curgea continuu prin latrinele publice. De la latrine apa curgea către un punct de vărsare în sistemul de canalizare a apelor uzate. Infrastructura de canalizare a întregii Rome a fost completată în mare parte pe la 100 e.c.; niște

CAPITOLUL 1 Introducere

11

conectări directe ale caselor individuale au început să apară și erau utilizate țevi de teracotă. Dacă era necesar să reziste la presiune, țeava era încapsulată total în ciment – o practică pe care au început-o romanii [1].

Figura 1.2. Colector de canalizare Saint-Denis, 1810.

Chiar dacă în vremea antică anumite orașe/zone aveau reguli stricte de sanitație, în general, străzile erau sistemele de colectare deschise ale deșeurilor și apelor meteorice.

În vremea modernă, evoluții notabile au avut loc în Franța, Marea Britanie și alte părți ale Europei de vest. Sistemul parizian de canalizare datează din anul 1370 când a fost construit primul sistem subteran sub strada Montmartre. Canalizarea a fost extinsă lent în următorii 400 de ani [2]. Sub domnia lui Ludovic al XIVlea, a fost construit un vast inel de canalizare pe malul drept al Senei și râul Bièvre era folosit ca un sistem de recepție a apelor uzate de pe malul stâng al Parisului. Astăzi, Parisul are o rețea de canalizare a apelor uzate de peste 2.000 de kilometri.

“Marea miasmă” din centrul Londrei din vara lui 1858 în care vremea foarte caldă a exacerbat mirosul de ape uzate menajere și ape industriale ne-epurate aflate pe malurile fluviului Tamisa, a fost punctul de cotitură pentru crearea unui sistem de canalizare adecvat și modern. Problema a crescut de-a lungul anilor din cauza unui sistem de canalizare inadecvat și învechit care deversa direct în Tamisa [3].

CAPITOLUL 1 Introducere

12

Figura 1.3. Sistemul de canalizare al Londrei în 1882 - de Rudolf Hering, - Sewerage Works in Europe.

Trei epidemii de holeră dinaintea “Marei miasme” au fost atribuite problemelor cronice ale nivelului de poluare a fluviului [3]. Așa au început lucrările pentru un sistem subteran extins de canalizare a apelor uzate menajere și a apelor meteorice care deversa deșeurile în estuarul Tamisei. Tunelele colectoare de ape uzate , construite între 1859 și 1865, erau alimentate de 720 de km de conducte principale, care la rândul lor transportau debitele a aproape 21.000 de km de conducte secundare mai mici. Folosirea inovativă a cimentului Portland pentru întărirea tunelelor a dus la o viață de folosință îndelungată, ele operând bine și în ziua de azi [4]. Sistemul inițial a fost proiectat să facă față la o ploaie cu intensitatea de 6,5 mm pe oră (6,5 litri/m2/oră). Între timp, dezvoltarea Londrei a pus presiune pe capacitatea sistemului de canalizare. Pe timpul precipitațiilor abundente, cantități mari de ploaie (depășind 6,5 mm/oră) care cad într-o perioadă scurtă de timp pot depăși capacitatea sistemului. Apa de ploaie se amestecă cu apele uzate menajere netratate și mixtura de apă netratată în exces față de capacitatea sistemului este deversată în Tamisa. Asemenea deversări de debite de preaplin ale canalizării unitare poate însemna că străzile sunt inundate cu un amestec de apă meteorică și ape uzate care creează un risc de sănătate publică. Ca să rezolve aceste probleme, au început în 2015 lucrările unui proiect de peste 4,2 miliarde de lire care preconizează construirea unui tunel de 25 de km care să preia și să stocheze o bună parte a debitelor deversate, lucrari care au loc acum. Tunelul va fi de asemenea conectat cu o stație de tratare a apelor uzate astfel încât aceste debite să aibă posibilitatea să fie tratate înainte de deversarea în emisar [5].

Aproape 15% din comunitățile din Statele Unite ale Americii au un sistem de canalizare unitară care transportă atât apa uzată menajeră și industrială cât și apele meteorice de scurgere. Marea majoritate a lor se află în orașe mai vechi cu populație peste 100,000 de locuitori. Multe dintre state permit acum doar construcția de sisteme separate de canalizare și sunt obligatorii

CAPITOLUL 1 Introducere

13

proiecte costisitoare de separare a canalizării apelor uzate și meteorice în zone unde există deja sisteme de canalizare unitare [6]. Alte țări, din diferite părți ale lumii, au dezvoltat inițial sisteme de canalizare unitare, cu preponderență în vestul Europei, Japonia. Japonia a adoptat în 1972 amendamente la ghidul de proiectare a sistemelor de ape uzate [7] care promovează principiul de utilizare a sistemelor separate de canalizare. În prezent, în Japonia din totalul de 1.896 de sisteme de canalizare, 1.873 erau separative și 23 erau unitare. Alte țări, precum India, preferă utilizarea de sisteme de canalizare separative datorită factorilor de climă, cu fronturi de precipitații musonice care ar pune o presiune foarte mare pe un sistem unitar de canalizare [8]. De asemenea, în Canada, provincia Ontario recomandă ca noile sisteme de colectare a apelor uzate să fie proiectate în tip separativ [9].

În București, primul canal menajer a fost construit în 1828, pe strada Smârdan și evacua apele uzate menajere de pe ulițele Colței, Batiștei și Biserica Enei în râul Dâmbovița. În 1881 și 1889 primăria dispune proiectarea unui sistem de canalizare compus din două colectoare paralele cu râul Dâmbovița, la care se racordau două colectoare perpendiculare pe acestea de fiecare parte a râului. Proiectul a fost finalizat în anul 1909 de inginerul Dionisie Germani, iar până în anul 1940 au fost executate 80% din lungimea colectoarelor prevăzute în proiect. La Iași primele lucrări de canalizare se execută în perioada 1878 – 1884. La Galați lucrările la sistemul de canalizare încep în anul 1879. La Cluj-Napoca lucrările de canalizare au început în anul 1887, iar până în anul 1908 lungimea rețelei de canalizare totalizează 35 km [10].

Cu toate progresele facute, datorită impactului creat de deversările de preaplin a sistemelor de canalizare unitare, cum ar fi inundațiile și efectele asupra mediului, multe entități municipale și regionale din lume au început programe costisitoare de renovare a sistemelor existente prin crearea de capacități importante de stocare și epurare, sau chiar de separare a colectării apelor uzate menajere de cele meteorice.

Pe de altă parte sistemele de colectare a apelor meteorice, deși s-au dovedit foarte eficiente și sigure atunci când au fost proiectate adecvat, care evacuează apa pluvială fără tratare în emisari, au problemele lor. Aceasta, deoarece, de multe ori acele debite, considerate în mod convențional curate, de fapt afectează calitatea apei emisarului și afectează sănătatea mediului acvatic. În plus, monitorizarea a dovedit că apa pluvială municipală deversată depășește limitele de protecție stabilite pentru respectarea calității emisarului în diverse jurisdicții [11].

1.1.2 Tipuri de sisteme de canalizare

În general, sistemele de canalizare se împart în două categorii: sisteme separative și sisteme unitare. În sistemele de canalizare separative există două rețele de canalizare în paralel: rețeaua de ape uzate menajere și industriale care are ca punct terminus o stație de epurare, după care apa uzată epurată la un anumit grad este deversată în emisar și sistemul de canalizare al apelor de scurgere meteorice (sau pluviale) care, de obicei, deversează în emisar fără nici un fel de epurare.

Sistemele de apă uzate menajere se împart și ele în trei categorii bazat pe caracteristicile hidraulice și scop: gravitaționale, sub presiune, cu vacuum.

Opțiunile colectării apelor uzate industriale includ: deversare în reteaua municipală de ape uzate menajere pentru epurare la stația de epurare aflata la capătul rețelei de canalizare; epurare parțială la sediul unității industriale (pre-epurare) urmată de deversarea în sistemul de ape uzate

CAPITOLUL 1 Introducere

14

menajere cu epurare în stația municipală de epurare; epurare integrală a apelor uzate în cadrul unității industriale, bazată pe condițiile unui aviz de deversare, urmată de deversarea în emisar.

Sistemele de colectare și deversare a apelor pluviale sunt aproape întotdeauna de tip gravitațional din cauza cantităților mari de apă de scurgere pe care le evacuează. Aceste sisteme colectează apa de scurgere de pe străzi, acoperișuri și din alte surse. Apa uzată menajeră este (în teorie) exclusă total de la deversarea în sistemele de canalizare ale apei meteorice.

1.1.3 Principii de proiectare – canalizare unitară

Componentele apei uzate care este colectată, transportată și tratată de un sistem de canalizare unitară includ:

Apa uzată menajeră – apa uzată colectată din clădirile rezidențiale și din clădirile comerciale și instituții publice, dar și alte facilități similare;

Apă uzată industrială – apa uzată asociata cu activități industriale predomină;

Apa de infiltrație și debite parazite – apă suplimentară care pătrunde în rețeaua de canalizare prin diferite mijloace, apă meteorică acumulată în subsoluri, apa uzată din sistemele de răcire, racordări ilicite etc.;

Apa meteorică – apa de scurgere rezultată în urma fenomenelor de precipitație: ploaie, zăpadă, etc.

În timp ce apa uzată din surse rezidențiale și industriale/comerciale este relativ ușor de colectat, transportat și epurat, apa meteorică rămâne o provocare semnificativă nu neapărat datorită problemelor de colectare și transport cât din punct de vedere al protecției împotriva inundațiilor dar și din cauza opțiunilor reduse de epurare, în mod special la debite de vârf. Metoda convențională folosită de a colecta, transporta și epura apa uzată și apa meteorică cu ajutorul unui sistem unitar de canalizare are avantajele ei; cu toate acestea, își arată limitările în momentul când sunt atinse debitele de vârf care pot depăși capacitatea de colectare, transport a sistemului de canalizare dar și capacitatea de procesare a stației de epurare [12]. La debite de vârf și în absența unei capacități adecvate de reținere, sistemele de canalizare unitare permit deversarea în emisar a unor debite semnificative de ape uzate epurate parțial sau neepurate de loc, de foarte proastă calitate [13]. Pe de altă parte, acolo unde se folosesc sisteme de canalizare separative pentru colectarea și transportul apelor meteorice, chiar dacă sunt eficiente să transporte apa și să o deverseze rapid în emisar, foarte des apa meteorică poluată este epurată foarte puțin sau, în majoritatea cazurilor, chiar de loc. Studiile au arătat că în ciuda existenței unei infrastructuri care utilizează unul sau celălalt sistem sau o combinație a celor două, [14][15], provocările puse de gospodărirea apelor meteorice urbane poluate [12] sunt reale și încă dificil de abordat [16].

Câteva dintre principiile de proiectare și dimensionare a sistemelor de canalizare sunt prezentate în secțiunea următoare. Un accent deosebit se va pune pe elementele de proiectare legate de colectarea apelor pluviale, modul în care influențează proiectarea sistemului, ce principii, condiții și metodologii stau la baza filosofiei de proiectare și dimensionare. Un mod similar de analiză va fi urmat atunci când vor fi considerate alte standarde sau normative utilizate în diverse părți ale globului.

Unul din criteriile limitative a proiectării unui nou sistem de canalizare urbană în prezent este nivelul de protecție a calității emisarului. Acest element era mai puțin semnificativ în trecut, principalele criterii pentru proiectare rezultând dintr-un calcul comparativ tehnic și economic [17]. Protecția la inundații, era de asemenea, un factor important pentru alegerea procedeului de

CAPITOLUL 1 Introducere

15

canalizare. Această filosofie de alegere a tipului de canalizare era destul de răspândită în lume, dar pe măsură ce cerințele de protecție a mediului au devenit mai stricte și standardele privind protecția calității apei emisarului mai stringente, cu atât proiectarea noilor sisteme de canalizare a trebuit să ia în considerare această condiție în calcul. Aceeași obligație de a proteja calitatea emisarului a făcut chiar să apară nevoia de a revizui sau de a găsi modalități de refacere a sistemelor existente și/sau de asigurare a unui nivel adecvat de tratament în cazul sistemelor care deversau debite direct în emisar fără nici un fel de tratament.

Această nouă realitate este adevărată atât pentru sistemele separate de canalizare a apelor pluviale care nu prevăd, în majoritatea cazurilor, nici un fel de epurare a debitelor deversate, cât și în cazul sistemelor unitare care prezintă deversări ocazionale de preaplin, care pot de asemenea depăși normele de protecție a calității emisarului. O comparație simplificată a schemelor de canalizare este prezentă în graficele alăturate, în care sunt evidente provocările puse de fiecare procedeu. Bineînțeles că sunt multe alte elemente care se iau în considerare în procesul decizional, cum ar fi, condițiile naturale, economice, planurile de sistematizare și orizontul de funcționare al sistemului incluzând stația de epurare a apelor uzate având în vedere perspectiva de dezvoltare până la capacitatea maximă cunoscută a centrului populat și eventual chiar peste capacitatea maximă cunoscută, etc. [17]

Figura 1.4. Sistemul de canalizare unitar.

Unul din standardele foarte folosite și cunoscute în Statele Unite, care ghidează proiectarea sistemelor de colectare apelor uzate menajere, este așa numitul “Standardele celor zece state”[6]. El se bazează pe un standard dezvoltat de un comitet special de specialiști în transportul și epurarea apei uzate din state nord americane și o provincie canadiană din zona Marilor Lacuri și a părții superioare a bazinului fluviului Mississippi. Acest comitet a elaborat un prim standard în 1947, care a fost apoi revizuit periodic. Ultima versiune a acestui standard datează din 2014. Standardul conține o colecție de metode pentru proiectarea, verificarea, și aprobarea planurilor și specificațiilor pentru sistemele de colectare, transport și tratare a apelor uzate menajere.

CAPITOLUL 1 Introducere

16

În ceea ce privește capacitatea hidraulică a sistemului de canalizare unitară, standardul are câteva instrucțiuni de dimensionare pentru canalizare, stațiile de pompare, stația de tratare etc. pentru proiectarea unui sistem nou:

a. Debitul de proiectare zilnic mediu. Debitul zilnic mediu este media volumelor zilnice receptate pe o perioadă continuă de 12 luni exprimat ca volume pe unitatea de timp;

b. Debitul zilnic maxim. Debitul de proiectare zilnic maxim este cel mai mare volum preluat de sistem pe o perioadă continuă de 24 de ore exprimat ca volume pe unitatea de timp;

c. Debitul orar maxim. Debitul de proiectare orar maxim este cel mai mare volum preluat de sistem pe o perioadă de o oră exprimat ca volume pe unitatea de timp;

d. Debitul instantaneu maxim. Debitul de proiectare instantaneu maxim este debitul maxim instantaneu ce poate fi preluat de sistem.

Figura 1.5. Sisteme de canalizare Philadelphia.

Dimensionarea stațiilor de epurare a apelor uzate pentru a primi debite de la un sistem nou de canalizare se va face plecând de la o valoare medie de 380 l/locuitor/zi. Această valoare va fi folosită în combinație cu un factor de vârf care ține cont de infiltrările care pot avea loc pentru un sistem construit cu metode moderne. Acest factor de vârf este raportul dintre debitul orar maxim și debitul zilnic mediu și are valori între 4,2 și 2,0 depinzând de numărul de locuitori deserviți de sistemul de colectare și tratare. (Instrucțiunile de proiectare ale provinciei Ontario, Canada, recomandă o valoare medie între 225 și 450 l/locuitor/zi și un factor de vârf care se calculează cu o formula specificată în instrucțiuni, dar nu mai mic de 2,0). În cazul în care factorul de vârf este mai mare ca 3,0 standardul recomandă retentia debitelor, procedura care să fie capabilă să controleze debitele de ape meteorice care își găsesc calea în sistem. Aceasta se poate realiza fie prin construcția de bazine de retentie și apoi recircularea volumelor către stația de epurare pentru procesare pe perioade în afara vârfului de debit sau construirea unei stații atât de mari încât să fie capabilă să epureze toate debitele.

CAPITOLUL 1 Introducere

17

În plus, standardul specifică faptul că dimensionarea canalelor și conductelor interceptoare de mare capacitate ale unui sistem unitar vor avea o capacitate adecvată să primească o cantitate suficientă de apă uzată care să fie transportată către stația de tratare în așa fel încât să fie respectate standardele de protecția calității emisarului la deversare. Ca atare, multe sisteme de canalizare unitare, au de asemenea prevăzute structuri de stocare a volumelor care pot depăși capacitatea sistemului în cauza unor fenomene meteorice extreme. Un astfel de exemplu îl reprezintă orașul Philadelphia din Statele Unite, care, ca majoritatea orașelor mai vechi de pe coasta de est, are două sisteme de canalizare, unul unitar, mai vechi, care deservește aproximativ 60% din zona canalizată a orașului, iar restul de 40% este servită de un sistem separativ (Figura 1.5). Philadelphia are peste 4.800 km de conducte și canale, 79.000 de guri de colectare a apei meteorice și trei stații de epurare [18].

Figura 1.6. Sisteme de canalizare New York.

O situație similară o reprezintă orașul New York în care 60% din zona canalizată are un sistem unitar iar restul este servit de sisteme separative. Sistemul de canalizare a zonei metropolitane New York are o rețea de peste 9.600 de kilometri de conducte și canale, 135.000 de guri de colectare a apei meteorice, 95 de stații de pompare și 14 stații de epurare [19].

Pe de altă parte, orașul Chicago s-a dezvoltat adoptând o altă filosofie pentru dezvoltarea sistemului de canalizare. El este proiectat să preia un eveniment de precipitații a cărei magnitudini se repetă o dată la cinci ani. Debitele de pe timp uscat sunt foarte reduse în comparație cu cele

CAPITOLUL 1 Introducere

18

meteorice. De aceea, debitele de ape uzate menajere nici nu sunt luate în calcul la proiectarea sistemului de canalizare. În ce privește magnitudinea precipitațiilor, un eveniment care se repetă la cinci ani are o inaltime de 30,5 mm (30,5 l/m2) în 20 de minute sau 45,7 mm (45,7 l/m2) într-o oră. Probabilitatea producerii unui eveniment cu magnitudinea de cinci ani este de 20% în fiecare an, sau 50% într-o perioadă de trei ani, sau 67% într-o perioadă de cinci ani [20]. Evenimente depășind această magnitudine vor supraîncărca sistemul de canalizare și pot duce la deversări de debite de ape uzate de preaplin. Pentru a controla posibilitatea de producere de inundații când este depășită capacitatea sistemului de canalizare și de deversarea de debite de preaplin care afectează calitatea emisarului, în Chicago s-a prevăzut în 1972 construirea unui sistem impresionant de stocare a apei acumulate într-un sistem de tunele și rezervoare de stocare denumit TARP (Tunnel and Reservoir Plan). Faza întâi a proiectului a fost finalizată în 2006 și prevede stocarea a 8,7 milioane de metri cubi de apă într-un sistem care are 176 de km de tuneluri adânci de mare diametru săpate în rocă. Partea doua a proiectului TARP propune dezvoltarea în faze, până în 2029, a unui număr de rezervoare care vor mări capacitatea de stocare la 77,6 milioane de metri cubi [21].

Agenția de control a poluării a statului Minnesota (Minnesota Pollution Control Agency) recomandă în ghidul de instrucțiuni pentru determinarea debitelor și încărcărilor stațiilor de epurare a apelor uzate din 2002 [22], ca sistemul de colectare să transmită toate debitele până la stația de epurare fără bypass. Ghidul definește debitul mediu de vreme uscată ca debitul mediu zilnic când apa subterană este la, sau aproape, de nivelul normal. Debitul orar de vârf de vreme umedă este definit ca fiind debitul maxim la momentul de vârf a unei precipitații de o oră care se repetă la cinci ani când nivelul apei subterane este înalt. Debitul instantaneu de vârf pe vreme umedă este definit ca debitul maxim la momentul de vârf a unei precipitații de o oră care se repetă la douăzeci si cinci de ani când nivelul apei subterane este înalt. Dacă raportul între debitul orar de vârf pe vreme umedă și debitul mediu pe vreme uscată este mai mare sau egal cu trei, ghidul recomandă considerarea folosirii de bazine de retenție. În cazul în care raportul între debitul orar de vârf de vreme umedă și debitul mediu de vreme umedă este mai mare sau egal cu trei, ghidul recomandă, de asemenea, considerarea folosirii de bazine de retenție. În plus, se recomandă dimensionarea unităților de tratare la treapta primară (grătare, deznisipatoare, decantoare primare) la debitul instantaneu de vârf de vreme umedă.

În Edmonton, Canada, înainte de anii 1960 a fost acceptabilă ca modalitate de construcție utilizarea sistemelor de canalizare unitare deoarece era mai economic decât să se construiască două sisteme separate. Acest sistem unitar are 900 km de conducte, un sistem interceptor de mare capacitate și 19 structuri de deversare la preaplin. Construcția acestui sistem de canalizare a încetat pe la 1960 din cauza preocupărilor privind protecția mediului. În prezent, Edmontonul are o rețea de 4.900 de km de conducte și canale de ape uzate menajere și meteorice și o stație de epurare a apelor uzate. Au fost construite de asemenea 43 de bazine de retentie cu o capacitate de 25.000 m3 pentru a reduce cantitatea de apă de preaplin deversată în emisari. În plus, racordurile dintre conductele de ape uzate menajere și cele de apă meteorică au început să fie eliminate în zonele mai vechi ale orașului [23].

De asemenea, în Winnipeg, Canada, partea centrală, mai veche a orașului este deservită de 1.037 km de conducte de canalizare unitară. În medie, au loc 22 de deversări de preaplin din sistemul de canalizare unitar. Din anii 1960 noile cartiere sunt deservite de un sistem separativ de canalizare. Sistemul de canalizare unitar deservește aproximativ 31% din suprafața urbană deservită (Figura 1.6) și restul de 69% de un sistem separativ [24].

CAPITOLUL 1 Introducere

19

Figura 1.7. Sisteme de canalizare Winnipeg.

O altă modalitate de proiectare și dimensionare a sistemului de canalizare a fost adoptata de orașul Los Angeles, California, care este situat într-o zonă climatică cu două sezoane distincte, unul uscat, din aprilie până în septembrie și celălalt umed. Pentru dimensionarea sistemului de ape uzate menajere debitul mediu de apă uzată recomandat pentru a fi luat în calcul la proiectarea sistemului este de 341 de l/locuitor/zi și de 113,5 l/angajat/zi pentru zonele comerciale ale orașului. Debitul mediu zilnic de vreme uscată include și infiltrațiile de apă subterană estimate care pot ajunge în sistemul de colectare. Debitul maxim zilnic de vreme uscată se bazează pe debitul mediu zilnic de vreme uscată multiplicat cu un factor de vârf specificat în instrucțiuni. Debitul maxim zilnic de vreme umedă include debitul maxim zilnic de vreme uscată și debitele de infiltrație și parazite (ilicite) care depind de precipitații. Capacitatea de a prelua debitul maxim zilnic de vreme umedă este asigurată prin recomandarea de a dimensiona conducta în așa fel încât raportul adâncimii debitului maxim zilnic de vreme uscată în conductă la diametrul conductei să nu fie mai mare de 0,5. Un alt element interesant este recomandarea privind viața de funcționare a elementelor sistemului. Spre exemplu, pentru conductele cu diametrul mai mare de 45 cm (artere principale, interceptoare, guri de vărsare) se recomandă o perioadă de exploatare între 60 și 100 de ani. Pentru conductele mai mici de 45 de cm se recomandă o perioadă de exploatare de 100 de ani [25].

În Regatul Unit majoritatea sistemelor de canalizare sunt unitare, aproximativ 70% ca lungime totală, deși din 1945 a devenit normă ca noile dezvoltări urbane să fie deservite de sisteme separative. Similar, în Germania și Franța, cifra este tot în jurul a 70%, iar în Danemarca 45% [26]. În mod tradițional, pentru un sistem unitar, capacitatea la intrarea în stația de epurare

CAPITOLUL 1 Introducere

20

este de șase ori debitul mediu zilnic de apă uzată. Din acestea, un debit de trei ori debitul mediu este trimis către bazine de retentie, iar restul este trimis către epurare [26].

În România, proiectarea și dimensionarea canalizărilor localităților este specificată în normativul privind proiectarea, execuția și exploatarea sistemelor de alimentare cu apă și canalizare a localităților - indicativ NP 133-2013 - partea a II-a: sisteme de canalizare a localităților [27]. Un exemplu cu elementele componente ale unei scheme de canalizare sunt prezentate în Figura 1.8. Normativul precizează că procedeul unitar colectează și transportă prin aceeași rețea de canalizare toate apele de canalizare: menajere, industriale, publice, meteorice, de suprafață și de drenaj. Apele preluate în rețeaua de canalizare pot proveni de la:

a) Instalațiile interioare ale locuințelor, apă uzată menajeră, direct sau prin cămine de racord;

b) Instalațiile interioare ale clădirilor cu destinație publică (scoli, spitale, unități de activitate publică, complexe sportive);

c) Apa uzată menajeră provenită de la grupurile sanitare ale unităților industriale; d) Apa uzată industrială colectată direct sau provenind de la stații de pre-epurare atunci

când condițiile de calitate sunt diferite de cele ale apei admise în rețeaua publică; e) Apa din precipitații, introdusă în canalizare prin gurile de scurgere (apa din ploi, apa din

topirea zăpezii, gheții); f) Apa subterană infiltrată prin defecțiunile colectoarelor sau construcțiilor anexe.

Figura 1.8. Schema de canalizare a unei localități mici.

1 - canale de serviciu; 2 – colectoare secundare; 3 – colectoare principale; 4 – sifon de canalizare; 5 – camin de intersectie; 6 – camera de deversare; 7 – canal deversor; 8 – statie de epurare; 9 – canal de evacuare a

apelor epurate; 10 – gura de varsare; 11 – teren pentru valorificarea namolurilor deshidratate.

Normativul NP 133– 2013 specifică faptul că în alcătuirea rețelei de canalizare se va lua în considerație trama stradală actuală și în perspectivă (minim 25 de ani) conform Planului de Urbanism General (PUG). În plus, normativul precizează că unul dintre criteriile de alegere a schemei de canalizare se bazează pe PUG și Planul de Urbanism Zonal (PUZ) pentru localitatea respectivă cu situația existentă și perspectiva de dezvoltare pentru minim 30 de ani.

Un element interesant al normativului este reprezentat de condiția că în afara apei infiltrate în canalizare toate celelalte categorii de apă au calitate normată pentru a putea fi acceptate în rețeaua publică de canalizare. Norma de calitate este dată în NTPA 002, normativul

CAPITOLUL 1 Introducere

21

privind condițiile de evacuare a apelor uzate în rețelele de canalizare ale localităților și direct în stațiile de epurare. Cu alte cuvinte, și apa meteorică ar trebui să respecte normele de calitate pentru a fi acceptată în sistemul unitar de canalizare.

Din punct de vedere hidraulic, normativul NP 133-2013 specifică o formulă de debit uzat orar maxim care să fie utilizat pentru dimensionarea canalizării. Normativul specifică de asemenea și faptul că debitele acceptate de la agenții economici trebuie să îndeplinească condițiile NTPA 002. Debitele de infiltrații se vor estima de asemenea conform formulei din normativ.

Quz,or,max = α × 𝑁𝑖 × qi × kzi,i × kor,i × 10-3 × 24-1 (m3/h)

unde:

α - coeficient de reducere sau de creștere a debitului; reducerea este dată de apele utilizate pentru stropit, spălat; creșterea este dată de activitățile economice care utilizează alte surse de apă; valorile curente pot fi cuprinse între 0,9 - 1,05;

Ni- nr. de utilizatori pe categorii de consum;

qi - necesarul specific de apă potabilă (l/om,zi), conform SR 1343-1:2006;

kzi,i - coeficient de variație a consumului zilnic de apă conform valorilor din SR 1343 - 1:2006;

kor,i - coeficient de variație orară a consumului de apă, conform SR 1343-1:2006; 10-3, 24-1 -

coeficienți de transformare.

Suma 𝑁𝑖 × qi × kzi,i × kor,i din formulă se referă la:

- ape uzate menajere (nr. locuitori);

- ape uzate publice (școli, spitale, servicii publice ş.a);

- ape uzate de tip menajer provenite de la unități industriale.

Ape uzate de la agenți economici - acestea sunt considerate pre-epurate (vor respecta NTPA 002) şi vor fi estimate de utilizatorul acestora şi comunicate prin protocoale scrise.

Ape de infiltrație- se calculează cu expresia:

QINF = qINF × L × DN × 10-3 (m3/zi)

unde:

qINF - debit specific infiltrat în dm3/m,zi, cu valori 25 - 50 dm3/m liniar şi m de diametru al

colectorului pe zi;

L - lungime colector (m);

DN - diametru colector (m);

Pentru rețea pozată deasupra nivelului apei subterane: qINF = 25 dm3/m,zi, pentru DN = 1m;

Pentru rețea pozată sub nivelul apei subterane (>1,0m) qINF = 50 dm3/m,zi, pentru DN =

1m.

Gradul de umplere este definit ca raportul între înălțimea apei la debitul maxim în secțiune și înălțimea constructivă a canalului (DN, H):

a = ℎ

𝐷𝑁 ; a =

ℎ

𝐻

CAPITOLUL 1 Introducere

22

unde:

a - grad de umplere;

DN- diametrul nominal, (mm);

H - înălțimea interioară a canalului, (mm);

h - înălțimea apei în canal, (mm);

Grad de umplere funcție de DN sau Hcanal

Conform NP 133-2013, dimensionarea sistemului unitar se face pe tronsoane, verificându-se pentru fiecare tronson capacitatea hidraulică de a transmite debitul de calcul format din suma debitelor de ape uzate și meteorice descărcate în colector. Diametrul minim pentru colectoare în sistem unitar este de Dn 300 mm iar pentru funcționarea colectorului în timpul ploii se admite gradul de umplere maximă amax = 1,0. Se impune de asemenea condiția ca viteza minimă de autocurățire pe timp uscat să fie ≥ 0,7 m/s. Pentru sistemul unitar se admite deversarea amestecului ape uzate, ape meteorice în emisar cu respectarea unui grad de diluare specificat în normativ.

Dimensionarea hidraulică se face prin calcule pe tronsoane. Tronsonul de colector se consideră lungimea între două intersecții sau un tronson de maxim 250 m în aliniament. Debitul de calcul este debitul din secțiunea aval a tronsonului dimensionat. Pentru stabilirea debitului de calcul se adoptă:

𝑄𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙0→1 = qsp,uz × 𝐿0→1, pentru orice tronson de capăt

𝑄𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑖→𝑖+1 = 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙

𝑖−1→𝑖 + 𝑄𝑙𝑎𝑡𝑖 + qsp,uz × 𝐿𝑖→𝑖+1 (l/s)

unde:

qsp,uz = 𝑄𝑢𝑧 ,𝑜𝑟 ,𝑚𝑎𝑥

𝛴𝑙𝑡𝑟 (l/s∙m)

𝑄𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑖−1→𝑖 - debitul tronsonului amonte tronsonului curent;

𝑄𝑙𝑎𝑡𝑖 - debitul adus de colectoarele laterale care deversează în nodul i.

Debitul pe calcul pentru fiecare tronson va rezulta din însumarea debitului de ape uzate așa cum a fost detaliat în secțiunea de mai sus și debitul maxim din ploaie al tronsonului calculat conform metodologiei detaliate în secțiunea următoare.

Pentru sisteme de canalizare gravitaționale se recomandă o viteză minimă ≥ 0,7 m/s pentru autocurățire și evitarea depunerilor în colectoare. Pe de altă parte, se recomandă o viteză maximă de ≤ 8m/s pentru colectoare din tuburi speciale sau metalice și ≤ 5 m/s pentru alte materiale.

În ceea ce privește proiectarea stației de tratare a apelor uzate, normativul specifică construirea unui deversor în amonte de stația de tratare, construcție care se prevede în cazul localităților canalizate în procedeele unitar și mixt și are rolul de a limita debitul de apă uzată admis în stația de epurare pe timp de ploaie. Debitul maxim de apă care ajunge pe timp de ploaie de la rețeaua de canalizare a localității la deversor este:

CAPITOLUL 1 Introducere

23

QT = Quz,max,or + Qm (l/s)

unde:

QT - debitul total pe timp de ploaie al apelor de canalizare care intră în camera deversorului (efluentul localității), (l/s);

Quz,max,or - debitul apelor uzate, maxim orar, pe timp uscat, (l/s);

Qm - debitul de ape meteorice, calculat conform normativului pentru proiectarea rețelelor de canalizare și conform prevederilor SR 1846-2:2006, aferent ultimului tronson al colectorului principal (de la ieșirea din localitate, la deversor).

Debitul maxim de ape uzate admis în stația de epurare pe timp de ploaie este:

QSE = n × Quz,max,or (l/s)

unde:

n = 2 - coeficientul de majorare a debitului admis în stația de epurare pe timp de ploaie; conform SR 1846-1:2006, acest coeficient poate lua valori mai mari (n = 3.4), în cazuri justificate tehnico-economic pe baza efectelor apelor meteorice asupra emisarului și folosințelor de apa din aval.

Debitul la care se dimensionează deversorul este dat de relația:

Qd = QT - QSE (l/s)

unde QT și QSE au fost definite mai sus.

Pentru situațiile curente, când n = 2, relația devine:

Qd = QT – 2 × Quz,max,or (l/s)

1.1.4 Canalizarea unitară – avantaje și dezavantaje

Avantajele alegerii variantei de construire a unui sistem de canalizare unitar sunt:

Conveniența (utilizatorii au o intervenție minimă);

Riscul de expunere la efecte dăunătoare sănătății este scăzut;

Nu sunt create neplăceri din cauza mirosurilor, muștelor sau țânțarilor într-un sistem menținut corespunzător;

Apa uzată menajeră și apa meteorică pot fi colectate în același timp;

Nu sunt probleme în ceea ce privește deversarea de debite de ape uzate industriale;

Mai ușor de curățat datorită dimensiunilor mari ale sistemului de colectare, conducte, canale, etc.;

Existența unei stații de epurare la capătul sistemului care asigură o epurare adecvată a întregului debit de apă uzată urbană înainte de deversarea în emisar;

Costurile de operare și întreținere sunt moderate.

Câteva dintre dezavantaje sunt:

Costurile capitale de investiție inițială sunt relativ mari;

Dificil de construit și extins în zone cu o densitate urbană mare;

Pot apare probleme cu blocajele și cedarea echipamentelor de pompare;

CAPITOLUL 1 Introducere

24

Încărcarea pe stația de tratare este mai mare datorită preluării debitului de ape meteorice, ceea ce necesită (supra)dimensionarea adecvată a acesteia;

În urma precipitațiilor pot apare deversări de debit la preaplin creând probleme cu inundațiile, expunere la riscuri de sănătate și daune asupra mediului;

Sistemul poate deveni neeconomic dacă este nevoie de multă pompare;

Poate necesita sisteme mari de stocare pentru a reține volume semnificative pe timpul precipitațiilor și pentru a păstra mărimea conductelor și stației de tratare la un nivel fezabil.

1.1.5 Principii de proiectare – canalizare separativă

Procedeul separativ (divizor) de canalizare prevede colectarea debitelor din zona urbană cu ajutorul a două rețele separate, una pentru apele uzate menajere și apele menajere și de producție ale unităților economice (cu sau fără pre-epurare) și una pentru apele meteorice. Pentru o rețea nouă de ape uzate menajere se iau în considerare rata de dezvoltare estimată a populației și a zonelor industriale pentru bazinul de canalizare considerat. Perioada tipică de timp care se consideră pentru estimarea ratelor de dezvoltare este între 20-30 de ani [22][27]. Se ia în considerare de asemenea și un debit de infiltrare datorat defecțiunilor colectoarelor sau construcțiilor anexe [27].

Figura 1.9. Sistemul de canalizare separativ.

Proiectarea canalizărilor de ape uzate menajere care pot fi preluate în canalizare, similar cu procedurile descrise mai sus în secțiunea anterioară, trebuie să ia în considerație debitele minime, medii și de vârf. În general, se preferă, pe cât posibil, proiectarea unui sistem de canalizare cu curgere în sistem gravitațional pentru a evita cheltuieli costisitoare în caz că e nevoie de implementarea unor sisteme de pompare. De obicei, debitul mediu de vreme uscată conține debitul mediu de ape menajere și infiltrațiile din apa subterană. Debitul mediu de vreme uscată este debitul mediu zilnic când apa subterană este la sau aproape de nivelul normal și nu are loc un debit de scurgere datorat precipitațiilor. Debitul maxim (de vârf) pe timp uscat este folosit ca debit de dimensionare a mărimii conductelor din punct de vedere hidraulic. Debitul maxim se calculează

CAPITOLUL 1 Introducere

25

multiplicând debitul mediu cu un factor de vârf. Debitele minime sunt calculate pentru a determina dacă se pot menține viteze minime de curgere astfel încât să se prevină depunerea de solide în canalizările proiectate să funcționeze gravitațional. Raportul între debitul maxim și cel mediu variază între mai puțin de 130% pentru conducte și/sau canale de dimensiuni mari și la mai mult de 260% pentru cele de dimensiuni mai mici. În plus, raportul între debitul maxim la sfârșitul perioadei de proiectare și cel de la începutul perioadei de proiectare variază între mai puțin de 3:1 până la mai mult de 20:1, depinzând de rata de creștere în bazinul de canalizare considerat [25]. În general, nu este acceptată captarea de ape meteorice direct în canalizarea de ape menajere și multe municipalități au programe de urmărire pentru a depista eventualele conectări accidentale și ilicite ale instalațiilor de ape meteorice, cum ar fi jgheaburi, burlane și conducte interioare ale clădirilor la canalizarea de ape menajere și se prevede eliminarea lor.

În România, conform normativului NP 133-2013, cantitățile de ape meteorice preluate de sistem, pentru bazine mici se determină prin metoda rațională care se bazează pe conceptul: o ploaie de frecvență normată va conduce la realizarea debitului maxim într-o secțiune a unui bazin când timpul de ploaie este egal cu timpul maxim de curgere din punctul cel mai îndepărtat până în secțiunea considerată; pe această bază pentru fiecare secțiune de calcul va exista o singură ploaie cu frecvența normată a teritoriului din care rezultă debitul de dimensionare.

Conform NP 133-2013 calculul se bazează pe formula:

Qmax,ploaie = m×S×Φ×i (l/s)

Unde:

S - este suprafața bazinului de colectare al secțiunii de calcul, (ha);

i - este intensitatea medie a ploii de calcul, l/s,ha; se determină pe baza curbelor IDF (STAS 9470-73) sau studiu de specialitate (obligatoriu pentru amplasamente cu suprafața peste 1.000 ha), funcție de frecvența normată și timpul de ploaie;

m - coeficientul de reducere a debitului; coeficient de înmagazinare (întârziere sau reducere) a ploii care ține seama de capacitatea rețelei de canalizare de a acumula unele volume de apă între începutul ploii şi umplerea acesteia. Se consideră efectul de acumulare în rețea cu valorile: m = 0,8 la timp de ploaie < 40 min., m = 0,9 la timp de ploaie > 40 min.

Φ – este coeficient de scurgere; raportul dintre volumul apă ajuns în canalizare și volumul ploii căzute pe bazin;

Coeficientul Φ este variabil în timp; mai mare la începutul ploii, scade o dată cu creșterea timpului de ploaie. Se determină ca medie ponderată pentru suprafețe neomogene:

Φ = 𝛴𝛷𝑖∗𝑆𝑖

𝛴𝑆𝑖

Ф– coeficient de scurgere mediu pe bazin;

Si – suprafețele bazinelor de colectare;

Фi – coeficienții de scurgere pe fiecare bazin in parte.

Valorile Φ pentru diferite tipuri de suprafețe pot fi adoptate conform SR 1846 - 2:2007.

Frecvența normată a ploii de calcul: notat f; pentru calcule preliminare se stabilește conform STAS 4273-83 și SR EN 752:2008 sau după studii speciale. Pentru localități cu populație > = 100.000 locuitori, frecvența normată a ploii de calcul se va adopta f = 1/10. În mod similar,

CAPITOLUL 1 Introducere

26

orașul Birmingham din statul Alabama, S.U.A., a adoptat pentru dimensionarea debitului de ape meteorice folosirea unei ploii de calcul cu frecvența de revenire de 10 ani. Pentru conducte cu diametrul mai mare de 150 cm se recomandă folosirea unei frecvențe de revenire a ploii de 25 de ani [28].

Durata ploii de calcul: tp

Pentru primul tronson al rețelei:

tp = tcs + 𝐿

𝑣𝑎 (min)

unde: tcs - timp de concentrare superficială:

- tcs = 5 min. pentru pante medii ale suprafeței bazinului > 5%; - tcs = 10 min. pentru pante medii ale suprafeței bazinului între 1 - 5 %; - tcs = 15 min. pentru pante medii ale suprafeței bazinului < 1 %.

L - lungimea tronsonului de la prima gură de scurgere la secțiunea de calcul, (m); va - viteza apreciată pe tronsonul de calcul, (m/s).

b) Pentru tronsoanele următoare:

𝑡𝑝= 𝑡𝑝𝑖−1 +

𝐿𝑖 ,𝑘

𝑣𝑎𝑖−𝑘 (min.)

unde:

𝑡𝑝𝑖−1- timpul de ploaie corespunzător secţiunii i a tronsonului i - k, (min.);

𝑣𝑎𝑖−𝑘- viteza apreciată, (m/s);

La intersecția a 2 colectoare la primul tronson aval se va lua în calcul valoarea cea mai mare a timpului ploii de calcul pentru cele 2 colectoare. Dacă pe tronsonul aval debitul calculat este mai mic decât debitul în tronsonul amonte atunci se adoptă valoarea cea mai mare dintre cele două debite.

Intensitatea ploii de calcul - Se determină pe baza timpului de ploaie (tp) şi pe baza curbelor IDF conform prevederilor STAS 9470-73 sau studiilor de actualizare elaborate de ANM; pentru rețele care deservesc un teritoriu > 1.000 ha proiectantul va comanda la Administrația Națională de Meteorologie studii statistice pentru amplasament; acestea vor indica ploile maxime istorice ca durată și intensitate și vor actualiza curbele IDF corespunzătoare zonei amplasamentului.

Pentru tot teritoriul României s-au elaborat diagrame Intensitate-Durata-Frecvența (IDF) pe baza observațiilor şi înregistrărilor meteorologice. Figurile următoare prezinta zonarea României in conformitate cu STAS 9470/73 privind stabilirea intensității ploii de calcul, precum si un exemplu de diagrama IDF pentru zona 8 (zona Municipiului București).

CAPITOLUL 1 Introducere

27

150

10090

80

70

60

50

40

30

20

10

5

4

3

2

200

250

300

350

400

450500

600

700

800

Inte

nsita

tea

(i)

, in

l/(

s,h

a)

10090

80

70

60

50

40

30

20

10

5

4

3

20.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.10

0.15

0.20

0.30

0.40

0.50

0.75

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.80In

ten

sita

tea

(i)

, in

mm

/min

5

10

15

20

25

30

40

50

60

75

90

10

0

12

0

14

0

18

0

24

0

30

0

36

0

72

0

14

40

1 2 3 4 5 6 12 24

Durata (t), in min,ore

5 10

15

20

25

30

40

50

60

75

90

10

0

12

0

14

0

18

0

24

0

30

0

36

0

72

0

14

40

f=2/1

f=1/1

f=1/2

f=1/3

f=1/5 f=1/10

f=1/20

f=1/50

Figura 1.10. Zonarea României privind intensitatea ploii de calcul.

Calculul de dimensionare al rețelei se face pe tronsoane.

Qmax,ploaie = m×S×Φ×i (l/s)

unde:

S - suprafața bazinului de colectare formată din:

S = 𝑆𝑡𝑟𝑖−𝑘 + 𝑆𝑎𝑚

𝑖−𝑘 (ha)

𝑆𝑡𝑟𝑖−𝑘 – suprafața bazinului de colectare aferentă tronsonului secțiunii de calcul, (ha);

𝑆𝑎𝑚𝑖−�