pptx - Università degli Studi di Trento

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: [email protected]
Laboratorio Didattico
di Modellistica Idrodinamica
(2° piano, corridoio centrale)
tel.: 0461 88 2480
Processi nei corpi idrici sotterranei
Bruno Majone
e-mail: [email protected]
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.”
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
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)
Bibliografia
Appunti del corso.
dove?
a lezione
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.
fotocopie in
copisteria
3) M. Toffolon, G. Vignoli, Esercizi di idraulica ambientale, Dispense del corso,
Università di Trento, a.a. 2004/05.
pdf sul sito: http://www.ing.unitn.it/~toffolon/ (“Materiale didattico”)
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.
in biblioteca
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.
link sul sito: http://www.ing.unitn.it/~toffolon/ (“Materiale didattico”)
sul web
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
25/04/2010
01/05/2010
09/05/2010
17/05/2010
24/05/2010
12/06/2010
19/06/2010
Il “succo” del corso
“soluto passivo”, “tracciante”
concentrazione:
C
M
V
campo di moto
1
1. la massa si conserva
2. la concentrazione tende a diminuire
finché la massa occupa tutto lo
spazio disponibile in modo uniforme
3
2
dM
0
dt
(eccezione: soluti reattivi
 Idraulica ambientale 2)
“diffusione”
Contenuti del corso
• Nozioni introduttive.
• Diffusione molecolare.
• Diffusione turbolenta.
• Dispersione negli alvei naturali:
- variabilità verticale della velocità;
- variabilità trasversale della velocità.
• Soluti reattivi (cenni)
Problemi pratici:
- scarichi accidentali;
- scarichi continui;
- inquinamento;
- qualità delle acque.
Equazione di convezione-diffusione:
- 1D, 2D, 3D;
- condizioni al contorno;
- metodo delle sorgenti immagine;
- fasi del mescolamento negli alvei naturali;
- soluzioni.
La diffusione
Il flusso diffusivo opera contro il
gradiente di concentrazione
   DC
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
Caratteristiche dei processi diffusivi
Dimensione caratteristica della nuvola
L(t )  Dt
1
2
L(t1)
L(t2)
Soluzione gaussiana autosimilare
3
L(t3)
(1D, in un dominio infinito)
  x   2 

C1D  x  
exp  
2
2
2 
2

M
con varianza
 2  2 Dt
“massa” compresa
tra gli estremi:
±  68.3%
±2  95.5%
±3  99.7%
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)
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)
Dispersione:
descrizione fenomenologica
y
u(y)
moto convettivo
non uniforme
 distorce la
nuvola lungo x
diffusione
ortogonale
 “ricompatta”
la nuvola lungo y
dispersione
 “diffusione”
incrementata
lungo x
x
Modello lagrangiano: segue le particelle
componente deterministica
(campo di moto assegnato)
componente casuale
(turbolenza o oscillazione termica)
Simulazione numerica
concentrazione C(x)
zoom
C(y)
zoom
y
particelle
y
x
particelle nel dominio x,y
x
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
scarico
campo vicino: modello 3D, diffusione turbolenta
(e molecolare)
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)
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)
Galleria di immagini
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.
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.
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.
scarico puntuale 3b
Le curve incrementano fortemente il mescolamento trasversale a
causa delle correnti secondarie.
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.
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.
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.
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]
Diffusore sottomarino
Un caso concreto: Scarico accidentale in un corso d’acqua
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?