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Metodologia innovativa per l’individuazione di aree inquinate a

seguito di sversamenti illegali

Alessandra Capolupo [email protected]

Approccio inverso per la mappatura dei punti di sedimentazione dei metalli pesanti, mediante l’applicazione di tecniche fotogrammetriche, di UAV e di modelli idrologici.

UNIVERSITY OF NAPLES FEDERICO II DEPARTMENT OF AGRICULTURE – Portici (NA)

Criticità ambientali italiane

La situazione ambientale italiana è piuttosto eterogenea e complessa. Infatti, sull’intera nazione sono stati individuati ben 55 siti di interesse nazionale (SIN), di cui, 6 dei quali, sono collocati in Campania (Vito et al., 2009). Inoltre, l’Istituto Superiore di Sanità ha incluso la Campania tra le 44 aree a più alto rischio tumori, a causa dell’elevato accumulo di metalli pesanti nei suoi suoli, in parte dovuti agli sversamenti illegali.

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Effetti dei metalli pesanti sulla salute umana

La situazione si complica ulteriormente quando l’eccessivo accumulo di metalli pesanti si verifica nei suoli agricoli, in quanto questi possono influenzare la qualità del cibo e, di conseguenza, la salute umana (Oliver, 1997; Muchuweti, et al., 2006). L’effetto sulla salute umana è diversificato a seconda del tipo di metallo. Ad es. l’arsenico (As), lo zinco (Zn), il rame (Cu), il mercurio (Hg) e l’alluminio (Al) sono colpevoli di problematiche a livello gastro-intestinale (vomito, diarrea) e di effetti sistemici (convulsioni, atassia, depressione, etc.) (McCluggage, 1991); oppure, il cadmio (Cd), fortemente cancerogeno, genera problemi al sistema cardio-vascolare, urinario e nervoso (Jarup, 2003).


Natura dei metalli pesanti I metalli pesanti possono essere di origine geogenica (legati ai fenomeni naturali) o antropogenica (relativa alle attività umane volontarie o accidentali). Alcuni esempi di inquinamento antropico: Alte concentrazioni di rame (Cu), zinco (Zn), cadmio

(Cd), cromo (Cr), nickel (Ni), mercurio (Hg), piombo (Pb) riscontrate nei pressi di autostrade o di aree densamente trafficate possono derivare dallo smog automobilistico(Albanese et al., 2012);

l’uso, invece, di elevati quantitativi di fertilizzanti chimici e pesticidi inorganici influenzano le concentrazioni di Cu, Pb, Hg e Zn (Swaine, et al., 1962).


La mappatura degli inquinanti geogenici

Oramai, la mappatura della distribuzione dei metalli pesanti di origine geogenica è nota e prevedibile per tutta la regione campana (Albanese et al., 2007). Mentre, purtroppo, non si può dire altrettanto per i metalli pesanti di origine antrogenica, la cui diffusione è a macchia di leopardo.


La mappatura degli inquinanti antropogenici

Attualmente, la procedura impiegata per la determinazione delle sostanze inquinanti presenti su un territorio è piuttosto laboriosa e costosa, dato che per ogni unità omogenea di terreno deve essere effettuato un ampio set di analisi di sostanze organiche ed inorganiche. Solitamente, la caratterizzazione viene effettuate su maglia 10 x 10 m, quasi mai sufficiente per definire un’area inquinata o meno.


Obiettivo

Messa a punto di una metodologia innovativa,efficiente e a basso costo, in grado di predire la localizzazione e l’estensione della distribuzione dei metalli pesanti a scala di campo, al fine di individuare per ogni unità omogenea di terreno il punto da campionare.


Importanza della tecnologia per l’individuazione delle aree

inquinate

Il riuscire a mettere a punto una tecnologia innovativa, efficiente e a basso costo, in grado di predire la distribuzione dei metalli pesanti su scala di campo, determinerebbe una svolta significativa nell’individuazione e nel trattamento delle aree potenzialmente inquinate.


Importanza della tecnologia per l’individuazione delle aree

inquinate

Riduce drasticamente i costi dell’operazione di monitoraggio del suolo;

Riduce lo screening dei terreni ai soli campi risultati positivi.


Descrizione del metodo indiretto messo a punto

Ipotesi: i punti di sedimentazione dei metalli pesanti a scala di campo sono stati assimilati alle zone umide (strutture in grado di fungere da barriere fisico e/o chimiche contro gli inquinanti).



Step della metodologia: I. Applicazione della tecnica fotogrammetrica:

• Sorvolo di un sito inquinato della regione campana con un esacottero prototipo e presa dei fotogrammi necessari alla sua ricostruzione dettagliata. I droni permette di ridurre drasticamente la quota di volo e di raggiungere aree altrimenti inacessibili;

• Elaborazione delle prese con un software di V generazione (Agisoft Photoscan Professional), in grado di processare contemporaneamente centinaia di foto e di ridurre notevolmente i tempi di elaborazione delle immagini.



II. Applicazione della modellistica dei processi idrologici (mediante Esri Arcgis 10.0,) in modo da suddividere l’area oggetto di investigazione in micro bacini;

III. Trasferimento della modellistica per la predizione delle zone umide a scala di bacino su scala di micro – bacino (Topographic index (TI) e clima – topographic index (CTI));



IV. Individuazione dei “punti ottimali” in cui effettuare il campionamento.


Area di indagine: Trentola Ducenta (CE)


40°58'31.15"N

14° 9'0.01"E

Trentola Ducenta (Sito pilota del progetto LIFE

Ecoremed)

Regione Campania

Provincia Caserta

Area di copertura 4000 m2

40°58'31.15"N

Fase I: La tecnica fotogrammetrica

La fotogrammetria è la scienza che consente di ottenere informazioni affidabili di oggetti fisici e dell’ambiente circostante mediante processi di registrazione, misura ed interpretazione delle immagini fotografiche e digitali formate dall’energia elettromagnetica radiante e da altri fenomeni fisici [Manual of Photgrammety, ASPRS, 1980].


(da “La presa dei fotogrammi”, Zanichelli)

Fase I: Macchine fotografiche


Canon Powershot s100

Dimensione fotocamera 98,9 x 59,8 x 26,7 mm

Peso 198 g

Risoluzione 12,1 Mp

Dimensione sensore 7,44 x 5,58 mm

Tipo sensore CMOS Canon di tipo 1/1,7 ad alta sensibilità

Dimensione pixel 0,00186 x 0,00186 mm

Fase I: Macchine fotografiche


Nikon D800e

Dimensione fotocamera 146 x 123 x 82 mm

Peso 900g (escluso peso obiettivo)

Risoluzione 36,3 Mp

Dimensione sensore 36,0 x 23,9 mm

Tipo sensore CMOS FX (a pieno formato )

Dimensione pixel 0,00487 x 0,00487 mm

Fase I: Obiettivi Nikon D800e


Obiettivo Nikon 50 mm Obiettivo Nikon 28 mm

Obiettivo Nikon 85 mm

Fase I: Esarotore Tarot Fy690s


Dimensioni interasse motori 690 mm

Peso al decollo 1700- 2500 g

Variatori 30A OPTO

Motori FullPower 4006M

Eliche APC M 12 x 4,5

Batterie Lipo 4s 5000 mAh

Gestione elettronica DJI Naza V2

Modulo datalink wireless 2.4 GHz

Fase I: Esarotore T810


Dimensioni interasse motori 810 mm

Peso al decollo 2500 – 6500 g

Variatori 40A OPTO

Motori FullPower 4010 M

Eliche APC M 14 x 5,5

Batterie Lipo 6s 5000 mAh x 2

Gestione elettronica DJI Naza A2

Modulo datalink wireless 2.4 GHz

Fase I: Realizzazione delle mire

d’appoggio

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Fase I: rilevamento delle mire

d’appoggio Il rilevamento delle mire può essere effettuato

mediante:

I. Strumenti di rilievo topografico di precisione (es. Geodimeter 600);

Oppure, nei casi in cui non è richiesta una precisione elevata,

II. GPS differenziale .


Fase I: Programmazione volo


GSD (ground sample distance): 1 cm

c (lunghezza focale)= 5,2 mm

p (dimensione pixel= 0,00186

l (dimensione sensore)= 7,44 x 5,58 mm

Altezza di quota: H = GSD x c / p

Coeff. Di sicurezza dell’altezza di volo = 10%

Fattore di scala: N= H/c

L (dimensione effettiva fotogramma)= N x l

Δt (intervallo di apertura) = L /v x (1- μ)

Fase I: Volo



Fase I: Immagini acquisite

93 fotogrammi acquisiti

Area coperta da ogni fotogramma 0,00899 Km2

Risoluzione a terra 0.00766084 m/pix

2% fotogrammi mossi

Fase II: Modellistica del processo di

trasporto


Importazione del modello digitale delle elevazioni ottenuto con Agisoft Photoscan Professional in Arcgis 10.0;

E sfruttando i vari tool di Arcgis Riempimento dei pits (celle senza uscita superficiale);

Costruzione del raster “direzione di flusso” mediante

l’applicazione del modello mono-direzionale (D8), particolarmente adatto per la modellazione della micro-rill network;

Fase II: Modellistica del processo di

trasporto

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Costruzione del raster di accumulo di flusso;

Individuazione dei micro-bacini;

Calcolo degli indici di predizione delle zone umide.


Fase III: Indici adatti alla predizione delle zone umide : Topographic index e Clima Topographic index

Topographic index (TI) (Beven, 1979):

dove α è l’area di drenaggio e β è la pendenza locale.

Clima topographic index (CTI) (Merot, 2003):

dove Vr è il volume della pioggia annuale efficace (prodotto dell’area di drenaggio per la profondità di pioggia annuale Reff). Nel calcolo del CTI, la pendenza locale è sostituita con la pendenza downhill.


Fase III: Indici adatti alla predizione delle zone umide : Topographic index e Clima Topographic index

dove Reffi rappresenta la profondità

della media mensile ed è calcolata mediante la seguente formula:

PET è l’evapotraspirazione potenziale, calcolata mediante l’equazione di Hargreaves (1985):

0Re, iii ffPETR

)()8.17(0023.0 minmax TTTRPET meanai


Fase IV: Individuazione dei punti “ottimali”

Per ogni micro-bacino è necessario analizzare l’andamento dell’indice TI e CTI. I punti caratterizzati dai più alti valori dei due indici rappresentano le zone di maggiore saturazione del suolo e, quindi, coincidono con le aree di accumulo degli inquinanti.


Risultati

Ortofoto di fine dettaglio (0,03 x 0,03 m);

DEM, a basso costo, di maglia 0,03 x 0,03 m;

Individuazione di 3 micro – bacini da analizzare;

Andamento degli indici TI e CTI nei 3 micro – bacini individuati;

Individuazione dei punti ottimali in cui effettuare il campionamento in ogni mirobacino.


Post – processing preliminare: Ortofoto


Post – processing preliminare: modello 3D sovrapposto a Google earth

Vista dall’alto


Post – processing preliminare: modello 3D sovrapposto a Google earth

Vista longitudinale


Post – processing: Digital Elevation Model (DEM)


Post – processing: micro – bacini dell’area investigata

Rosso = microbacino superiore

(1007,3 m2)

Blu = microbacino centrale

(1050,1 m2)

Verde = microbacino inferiore

(1001,5 m2)


Post – processing: Topographic index (TI)

I cerchi bianchi

rappresentano le aree in

cui effettuare i

campionamenti.


Post – processing: Clima Topographic index (CTI)

I cerchi bianchi

rappresentano i punti da

campionare;

Il cerchio bianco con la

crocetta rappresenta il punto

di maggiore criticità.


Discussione e conclusioni

L’applicazione dei droni permette di: • Ridurre drasticamente l’altezza di volo e quindi di

incrementare la risoluzione della landform mapping; • Raggiungere aree altrimenti inaccessibili.

L’applicazione dei software di V generazione permette di:

• Ridurre drasticamente il tempo di elaborazione delle immagini acquisite;

• Analizzare contemporaneamente un elevato numero di foto, in modo da migliorare il risultato finale


Discussione e conclusioni L’applicazione della modellistica per l’individuazione delle zone umide ha permesso di individuare i punti di sedimentazione delle aree potenzialmente inquinate.

Confrontando il risultato dei due indici, si evince che, per le sue proprietà intrinseche, l’indice CTI è più robusto e può essere applicato senza bisogno di calibrazione. Inoltre, esso sembra più affidabile nell’individuazione dei punti di sedimentazione degli inquinanti.

La metodica messa appunto sembra promettente ed in grado di ridurre il costo dell’operazione di monitoraggio del suolo e lo screening dei terreni ai soli campi risultati positivi.

Grazie a tutti per l’attenzione!


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