Lumped conceptual modelling of CSO pollutant load in Ålebækken (Denmark) and Cascina Scala (Italy).

The EU Water Framework Directive (2000/60/CE) requires the achievement of good ecological and chemical status of European water bodies especially by the prevention of point and non-point source pollution. Since significant efforts have been achieved in the past decades to reduce impacts from waste water treatment plants (WWTP), the attention of municipalities in most urban areas focuses more and more on impacts of combined sewer overflows (CSO). Indeed, pollutant load discharged into the environment without a proper treatment can affect the quality of receiving water bodies. Different studies show the importance of an integrated view to understand the observed dynamics of the pollutants. Measurements carried out through on-line sensors allow suitable dynamic measurements of critical parameters like COD or NH4 (Langergraber 2003). In this perspective of increasing interest in water quality measurements, an on-line sensor was installed at CSO structure of the sewer system in Ålebækken, a catchment located in the northern part of Lyngby- Taarbæk municipality. A team of several students from DTU Environment developed their projects working on the data collected by these sensors, focusing on different aspects of the procedure of data collection, analysis and developing. The collection of the quality data was challenging due to the arduous conditions in the sewer system and to some uncertainties relative to the measurement devices. The aim of the present Ms.C Thesis is to build up and to calibrate a WEST model of urban drainage which is representative of the catchment. The first step has been an analysis of the available data collected at the CSO structure between December 2016 and March 2017. Rain events were defined, and flow and ammonia concentration data analysed. By using the WEST model with Matlab as an interface it has been possible to do a calibration on the model parameters using both the data collected by the on-line sensor mentioned above and the ones coming from the Italian catchment Cascina Scala (Lombardy). It makes sense because the latter has different characteristic of extension and population, but the same layout. One of the main differences between them is that quality data from Cascina Scala catchment are collected with an autosampler, in a less continuative way. Two calibration series were performed: one on the water quantity module (flow) and another one on the water quality module (ammonia). Both of them were investigated through a traditional calibration method (fminsearch). The quantity calibration in Ålebækken case study has been performed on a long-term basis in order to obtain results representative not only in occasion of rain events, whereas the quality calibration had to be carried out on two shorter periods, because of the big amount of missing data. Concerning Cascina Scala catchment, only event-based data were available, hence an event-based calibration was the only possible solution. Finally, the load of pollutants during the rain events and during the overflows has been calculated in the two case studies.

La Direttiva Quadro sulle Acque (2000/60/CE) richiede il raggiungimento di una buona condizione ecologica e chimica dei corpi idrici europei, in particolare mediante la prevenzione dell'inquinamento proveniente da fonti puntuali e non puntuali. Negli ultimi decenni sono stati compiuti notevoli sforzi per ridurre l’impatto degli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP), dunque l'attenzione dei comuni nella maggior parte delle aree urbane si concentra sempre più sull'impatto degli scaricatori di piena (CSO). Infatti, il carico inquinante scaricato nell'ambiente senza un adeguato trattamento preventivo, può pregiudicare la qualità dei corpi idrici ricettori. Diversi studi mostrano l'importanza di una visione integrata che permetta di comprendere le dinamiche degli inquinanti. Le misurazioni effettuate tramite sensori on-line consentono misure dinamiche adeguate di parametri critici come COD o NH4 (Langergraber 2003). Alla luce del crescente interesse per le misurazioni della qualità dell'acqua, è stato installato un sensore online presso lo scaricatore di piena del sistema fognario di Ålebækken, un bacino idrografico situato nella parte settentrionale del comune di Lyngby-Taarbæk (Danimarca). Diversi studenti del DTU Environment (Denmark Technical University) hanno sviluppato i propri progetti lavorando sui dati raccolti da questi sensori, concentrandosi su aspetti diversi della procedura di raccolta, analisi e sviluppo dei dati. La raccolta dei dati sulla qualità è risultata ardua a causa delle difficili condizioni in cui si trovava il sistema fognario e di alcune incertezze relative ai dispositivi di misurazione. Lo scopo della presente tesi magistrale è quello di costruire e calibrare un modello di drenaggio urbano tramite il software WEST, che risulti rappresentativo del bacino idrografico. Il primo passo è stato un'analisi dei dati disponibili raccolti presso lo scaricatore di piena del bacino danese tra il dicembre 2016 e il marzo 2017. Sono stati definiti gli eventi di pioggia verificatisi nell’arco di questo periodo ed analizzati i relativi dati di portata e di concentrazione di ammoniaca. Gestendo il modello WEST tramite un’interfaccia Matlab è stato poi possibile eseguire una calibrazione dei parametri del modello, utilizzando sia i dati raccolti dal sensore on-line sopra menzionato, sia quelli provenienti dal bacino italiano di Cascina Scala (Lombardia). Questo accostamento risulta ragionevole, in quanto quest'ultimo bacino presenta caratteristiche diverse in termini di estensione e popolazione, ma una simile distribuzione spaziale delle diverse strutture. Una delle principali differenze tra i due è che i dati di qualità del bacino di Cascina Scala sono stati raccolti con un campionatore automatico, con una scansione temporale variabile, mentre quelli di Ålebækken sono stati raccolti in continuo. Sono state eseguite due serie di calibrazioni del modello: una sulla quantità d'acqua (portata) e un'altra sulla qualità dell'acqua (concentrazione di ammoniaca). Entrambe le parti sono state studiate attraverso un metodo di calibrazione tradizionale (fminsearch). La calibrazione della portata nel caso di studio Ålebækken è stata eseguita sulla base di serie di dati a lungo termine, al fine di ottenere risultati rappresentativi non solo in occasione di eventi piovosi, mentre la calibrazione della qualità è stata effettuata facendo riferimento a due periodi più brevi, a causa della grande quantità di dati mancanti. Per quanto riguarda il bacino di Cascina Scala, si avevano a disposizione solo i dati relativi agli eventi di pioggia, quindi una calibrazione basata sugli eventi era l'unica soluzione possibile. Infine, per entrambi i casi di studio, è stato proposto un approssimativo calcolo del carico di inquinanti transitante presso lo scaricatore di piena durante gli eventi di pioggia e scaricato nel corpo idrico ricettore durante gli overflow.