Processi di dispersione di inquinanti nell’ambiente

1. Processi di dispersione di inquinanti nell’ambiente (a.a. 2012/13, 6 crediti – 60 ore) Fondamenti e processi nei corpi idrici superficiali Marco Toffolon e-mail: marco.toffolon@ing.unitn.it Laboratorio Didattico di Modellistica Idrodinamica (2° piano, corridoio centrale) tel.: 0461 88 2480 Processi nei corpi idrici sotterranei Bruno Majone e-mail: bruno.majone@ing.unitn.it

2. Obiettivi del corso Dal Regolamento del corso di laurea: “Il corso è finalizzato all'acquisizione delle conoscenze necessarie alla comprensione del destino dei contaminanti nei corpi idrici superficiali e sotterranei e nell’atmosfera. Esso fornisce gli strumenti necessari all’analisi della propagazione dei contaminanti, al monitoraggio degli stessi ed alla scelta delle tecniche di bonifica. L’allievo verrà guidato alla comprensione ed alla valutazione quantitativa dei processi di trasporto dei contaminanti, alla scelta delle tecniche di monitoraggio ed allo screening delle metodologie di bonifica. Alla fine del corso l’allievo sarà in grado di comprendere e valutare criticamente il complesso di analisi e scelte progettuali che portano alla definizione di piani di monitoraggio ambientale e ai progetti di bonifica di corpi idrici contaminati.”

3. Contenuti del corso 1. Introduzione ai processi di diffusione e dispersione in ambiente (15 ore) 2. Dispersione di inquinanti nei corsi d'acqua e nei corpi idrici superficiali (20 ore) · Fenomenologia: campo vicino, intermedio, lontano; soluti reattivi · Stima dei parametri significativi · Modelli gaussiani: stima della concentrazione, stima della distanza di mescolamento, effetto della posizione dello scarico sul processo di diluizione · Modelli numerici per la dispersione longitudinale: modello ADZ, modello ADE (effetto delle zone di espansione), modello lagrangiano · Applicazione a casi reali e confronto fra diversi metodi di stima della concentrazione 3. Dispersione di inquinanti nei corpi idrici sotterranei (25 ore) ·  ing. Bruno Majone ~60 ore

4. Bibliografia (acqua & aria) Appunti del corso. Dispense del corso di Idraulica ambientale: 1) G. Seminara, M. Tubino, Fondamenti sulla diffusione e dispersione di traccianti passivi, Dispense del corso, Università di Genova, a.a. 1995/96. 2) G. Seminara, M. Tubino, Appunti di idraulica ambientale, Dispense del corso, Università di Trento, a.a. 2004/05. 3) M. Toffolon, G. Vignoli, Esercizi di idraulica ambientale, Dispense del corso, Università di Trento, a.a. 2004/05. Per approfondimenti: 4) P. Zannetti, Pollution Modeling: theories, computational methods and available software 5) R. Sozzi, T. Georgiadis, M. Valentini, Introduzione alla turbolenza atmosferica, Pitagora Editrice, Bologna, pp. 525, 2002 6) J.L. Martin, S.C. McCutcheon, Hydrodynamic and transport for water quality modeling, LewisPublishers CRC Press 7) Fischer H.B., Koh J., List J., Imberger J., Brooks H., Mixing in Inland and Coastal Waters, Academic Press, New York, 1988. 8) Rutherford J.C., River Mixing, John Wiley & Sons, Chichester, 1994. Dispense del corso di Mixing and Transport in the Environment di S. Socolofsky e G. Jirka (http://ceprofs.tamu.edu/ssocolofsky/CVEN489/index.htm)

5. Bibliografia dove? Appunti del corso. Dispense del corso di Idraulica ambientale: 1) G. Seminara, M. Tubino, Fondamenti sulla diffusione e dispersione di traccianti passivi, Dispense del corso, Università di Genova, a.a. 1995/96. 2) G. Seminara, M. Tubino, Appunti di idraulica ambientale, Dispense del corso, Università di Trento, a.a. 2004/05. 3) M. Toffolon, G. Vignoli, Esercizi di idraulica ambientale, Dispense del corso, Università di Trento, a.a. 2004/05. Per approfondimenti: 4) Fischer H.B., Koh J., List J., Imberger J., Brooks H., Mixing in Inland and Coastal Waters, Academic Press, New York, 1988. 5) Rutherford J.C., River Mixing, John Wiley & Sons, Chichester, 1994. 6) S.A. Socolofsky & G.H. Jirka, dispense del corso Special Topics on Mixing and Transport in the Environment, Texas A&M University, 2005. a lezione fotocopie in copisteria pdf sul sito: http://www.ing.unitn.it/~toffolon/ (“Materiale didattico”) in biblioteca sul web link sul sito: http://www.ing.unitn.it/~toffolon/ (“Materiale didattico”)

6. Un caso emblematico Marea nera nel Golfo del Messico http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/event.php?id=43733 21/04/2010 http://fastfreenews.com/wp-content/uploads/2010/06/gulf-oil-spill1.jpg

7. 25/04/2010

8. 01/05/2010

9. 09/05/2010

10. 17/05/2010

11. 24/05/2010

12. 12/06/2010

13. 19/06/2010

14. Il “succo” del corso “soluto passivo”, “tracciante” concentrazione: 3 campo di moto 2 1 • la massa si conserva • la concentrazione tende a diminuire finché la massa occupa tutto lo spazio disponibile in modo uniforme (eccezione: soluti reattivi  Idraulica ambientale 2) “diffusione”

15. Contenuti del corso • Nozioni introduttive. • Diffusione molecolare. • Diffusione turbolenta. • Dispersione negli alvei naturali: • variabilità verticale della velocità; • variabilità trasversale della velocità. • Soluti reattivi (cenni) • Equazione di convezione-diffusione: • 1D, 2D, 3D; • condizioni al contorno; • metodo delle sorgenti immagine; • fasi del mescolamento negli alvei naturali; • soluzioni. • Problemi pratici: • scarichi accidentali; • scarichi continui; • inquinamento; • qualità delle acque.

16. La diffusione Il flusso diffusivo opera contro il gradiente di concentrazione legge di Fick (1855) Giustificazione fenomenologia: spostamento casuale a destra o a sinistra N passi (tempo) 200 palline, probabilità di muoversi 0.2, scatole singole

17. Caratteristiche dei processi diffusivi 3 2 1 Dimensione caratteristica della nuvola L(t1) L(t2) L(t3) Soluzione gaussiana autosimilare (1D, in un dominio infinito) con varianza ±s 68.3% ±2s 95.5% ±3s 99.7% “massa” compresa tra gli estremi:

18. esperimenti numerici • concetti importanti: • media e varianza (discreta, ponderata, continua) • distribuzione normale (gaussiana) e sue proprietà • teorema del limite centrale • come misurare il coefficiente di diffusione? • strumenti: • fortran (o altri linguaggi di programmazione di basso livello) • matlab (per grafici o codici scritti in un linguaggio di alto livello) • maple (analisi simbolica)

19. Come un fenomeno convettivo diventa diffusivo… Diffusione molecolare (proprietà di sostanza-fluido) Oscillazioni termiche valori tipici in acqua ~ 10-5 cm2/s = 10-9 m2/s in aria ~ 10-5 m2/s Turbolenza (moto convettivo “caotico”) Diffusione turbolenta (proprietà del campo di moto, e non del fluido) per tempi sufficientemente lunghi (maggiori della scala integrale della turbolenza) Moto convettivo non uniforme + diffusione ortogonale al moto Dispersione (meccanismo combinato) per tempi sufficientemente lunghi (maggiori della scala caratteristica della diffusione ortogonale)

20. Dispersione: descrizione fenomenologica y u(y) x moto convettivo non uniforme  distorce la nuvola lungo x dispersione  “diffusione” incrementata lungo x diffusione ortogonale  “ricompatta” la nuvola lungo y Modello lagrangiano: segue le particelle componente deterministica (campo di moto assegnato) componente casuale (turbolenza o oscillazione termica)

21. Simulazione numerica concentrazione C(x) zoom zoom C(y) particelle y y x x particelle nel dominio x,y

22. Mescolamento in alvei naturali B ip. alveo largo, acqua bassa (B>>Y) z Y il mescolamento verticale è molto più rapido del mescolamento trasversale y Fasi del mescolamento campo vicino: modello 3D, diffusione turbolenta (e molecolare) scarico mescolamento verticale completato campo intermedio: modello 2D (mediato sulla verticale), dispersione e diffusione turbolenta (e molecolare) mescolamento trasversale completato campo lontano: modello 1D (mediato sulla sezione), dispersione (e diffusione turbolenta e molecolare)

23. importanza dei bilanci di massa • concetti importanti: • bilanci integrali (0D) • flusso diffusivo e convettivo • portata massica • esempi: • mescolamento tra due fiumi • scarico in un lago (con e senza emissari); cosa succede con soluti reattivi? • analogia con l’equazione del calore (es. parete vs. muro-finestra)

24. Galleria di immagini

25. scarico puntuale 1 Scarico di un refluo in acque costiere. Il pennacchio si colloca in uno strato sottile. Al momento in cui è stata presa l’immagine, la corrente media stava trasportando lo scarico al largo.

26. scarico puntuale 2 Tracciante rilasciato alla bocca di un fiume che entra in un estuario. Si può vedere chiaramente come la struttura di piccola scala del pennacchio interagisce con la turbolenza dell’ambiente e la natura lenta della diffusione trasversale.

27. scarico puntuale 3a direzione del flusso Tracciante rilasciato in un fiume. Il mescolamento verticale viene raggiunto molto velocemente (a distanza di circa 10 volte la profondità); il mescolamento trasversale è molto più lento.

28. scarico puntuale 3b Le curve incrementano fortemente il mescolamento trasversale a causa delle correnti secondarie.

29. scarico puntuale 4 Scarico di un impianto chimico (Alpenrhein, Germania). La fotografia mostra chiaramente la crescita trasversale lenta del pennacchio. Scarichi intensi e così chiaramente visibili non sono più ammessi dalla normativa.

30. scarico puntuale 5 La fotografia mostra due scarichi separati (Alpenrhein, Germania). In basso a sinistra, vicino al ponte, uno scarico di colore chiaro; al centro uno scarico di colore più scuro. Grazie alle circolazioni trasversali nel fiume (curva), lo scarico chiaro di diffonde rapidamente sulla destra, rendendo visibile lo scarico scuro.

31. confluenza 1 Confluenza di due fiumi (Hochrhein e Aare, Germania). Il mescolamento delle acque dei due fiumi è reso visibile dalla maggior concentrazione di sedimenti del fiume sulla destra.

32. confluenza 2 Confluenza di tre fiumi: a sinistra, con una concentrazione molto alta di particolato; al centro con una concentrazione intermedia; a destra (più scuro), più pulito. Contorni ben definiti separano di diversi flussi. [Inn a sinistra, Danubio al centro, Passau DE]

33. Diffusore sottomarino

34. Un caso concreto: Scarico accidentale in un corso d’acqua

35. Fasi del problema rio Sorne fiume Adige scarico massa M fase 1: mixing nel rio Sorne fase 2: confluenza fase 3: mixing nell’Adige fase 4: cosa succede a valle?