Analysis and application of novel method for quantifying infiltration and exfiltration in urban sewer systems

This thesis deals with the problem of infiltration of parasitical water (infiltration) and leakage of wastewater (exfiltration) in urban sewer networks. That research has been developed within the framework of the European research project APUSS (Assessing Infiltration and Exfiltration on the Performance of Urban Sewer Systems) which partners were INSA de LYON (FR), EAWAG of Zurich (CH), Technological University of Dresden (DE), Faculty of Civil Engineering at University of Prague (CZ), DHI Hydroinform company in Prague (CZ), Hydroprojekt company in Prague (CZ), Middlesex University of London (UK), LNEC in Lisbon (PT), Emschergenossenschaft in Essen (DE) and IRSA-CNR in Rome (IT). That European project was supported by the European Commission under the 5th Framework Programme and it aimed at contributing to the implementation of the Key Action “Sustainable Management and Quality of Water” within the Energy, Environment and Sustainable Development Contract n° EVK1-CT-2000-00072. In particular, that work has been carried out in collaboration with IRSA-CNR and consisted of applying new methods for quantifying infiltration and exfiltration in urban sewer networks (i.e., pipes and house connections) which were developed by a research group of EAWAG. An innovative aspect is that these methods allow monitoring large urban sewer systems due to their speediness and cheapness of these methods. The thesis is subdivided into three chapters, the first one describes the problem and the traditional diagnostic techniques; the second one explains the four applied methods: 1. QUEST method for quantifying exfiltration; 2. QUEST-C method for quantifying exfiltration; 3. pollutograph method for quantifying infiltration; 4. isotopic method for quantifying infiltration. and deals with the theoretical aspects which the methods are based on. QUEST and QUEST-C consisted on a mass balance of chemical tracer injected into sewer pipes to be investigated in a slug and continuous way, respectively. The pollutograph and the isotopic methods based on the hydrograph separation method applied over urban sewer systems using typical wastewater pollutants and 18O water isotope, respectively. The third chapter describes the experimental planning and discusses the results of application of these methods in two urban areas in Rome and reports the results of an uncertainty analysis using Monte Carlo simulations.

La presente tesi riporta i risultati di una ricerca bibliografica e sperimentale di campo relativamente al problema delle infiltrazioni di acque parassite (infiltrazioni) e di perdite di acque reflue (exfiltrazioni) in reti di fognatura urbana. Tale lavoro di tesi è stato sviluppato nell’ambito di un progetto Europeo denominato APUSS (Assessing Infiltration and Exfiltration on the Performance of Urban Sewer Systems) il cui obiettivo è stato quello di creare nuovi metodi e nuovi modelli per quantificare e prevedere le infiltrazioni ed exfiltrazioni. Tale progetto ha visto coinvolti gruppi di ricerca quali: INSA di Lione (FR), EAWAG di Zurigo (CH), Technological University di Dresda (DE), Faculty of Civil Engineering dell’Università di Praga (CZ), DHI Hydroinform di Praga (CZ), Hydroprojekt di Praga (CZ), Middlesex University di Londra (UK), LNEC di Lisbona (PT), Emschergenossenschaft di Essen (DE) e IRSA-CNR di Roma (IT). Il progetto è stato supportato dalla Commissione Europea nell’ambito del 5° Programma Quadro con lo scopo di contribuire all’implementazione di azioni per “La gestione sostenibile e la qualità dell’acqua” entro il contratto n° EVK1-CT-2000-00072 per lo sviluppo sostenibile, per l’ambiente e per l’energia. In particolare, il presente lavoro di tesi si è svolto in collaborazione con l’IRSA-CNR ed ha riguardato l’applicazione dei nuovi metodi di quantificazione dell’exfiltrazioni ed infiltrazioni sviluppati dal gruppo di ricerca dell’EAWAG. L’aspetto innovativo di questi metodi, rispetto a quelli tradizionalmente usati, risiede nella loro semplicità di applicazione ed economicità, pertanto, nella possibilità di monitorare lo stato strutturale, strettamente connesso alla quantità di exfiltrazioni ed infiltrazioni, di estese reti di fognature urbane. La presente tesi consiste in tre capitoli, il primo descrive la problematica e le tradizionali tecnologie di indagine delle fognature; il secondo tratta gli aspetti teorici alla base dei quattro metodi applicati: • metodo QUEST per la quantificazione delle exfiltrazioni; • metodo QUEST-C per la quantificazione delle exfiltrazioni; • metodo del pollutogramma per la quantificazione delle infiltrazioni; • metodo degli isotopi per la quantificazione delle infiltrazioni. QUEST e QUEST-C consistono in un bilancio di massa di traccianti chimici su tratti fognari dosati in modo discreto e continuo, rispettivamente. Il metodo del pollutogramma e quello degli isotopi si basano sul metodo della separazione degli idrogrammi applicati a reti fognarie usando come traccanti inquinai tipici delle acque reflue e l’isotopo 18O , rispettivamente. Il terzo capitolo descrive la metodologia di pianificazione delle campagne sperimentali e riporta e discute i risultati ottenuti dalla applicazioni, in due aree urbane a Roma, di questi quattro metodi. Infine, la precisione e l’accuratezza di tali metodi è stata stimata mediante simulazioni Monte Carlo.