Processi di dispersione di inquinanti nell’ambiente
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(a.a. 2012/13, 6 crediti – 60 ore)
Processi di dispersione di inquinanti nell’ambiente
Fondamenti e processi nei corpi idrici superficialiMarco Toffolone-mail: [email protected] Didattico di Modellistica Idrodinamica(2° piano, corridoio centrale)tel.: 0461 88 2480
Processi nei corpi idrici sotterraneiBruno Majonee-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.”
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
Contenuti del corso
~60 ore
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 software5) R. Sozzi, T. Georgiadis, M. Valentini, Introduzione alla turbolenza atmosferica, Pitagora Editrice, Bologna, pp. 525, 20026) J.L. Martin, S.C. McCutcheon, Hydrodynamic and transport for water quality modeling, LewisPublishers CRC Press7) 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.
Bibliografia (acqua & aria)
Dispense del corso di Mixing and Transport in the Environment di S. Socolofsky e G. Jirka (http://ceprofs.tamu.edu/ssocolofsky/CVEN489/index.htm)
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.
Bibliografiaa lezione
fotocopie in copisteria
in biblioteca
dove?
pdf sul sito: http://www.ing.unitn.it/~toffolon/ (“Materiale didattico”)
sul weblink sul sito: http://www.ing.unitn.it/~toffolon/ (“Materiale
didattico”)
Un caso emblematico
21/04/2010
http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/event.php?id=43733
Marea nera nel Golfo del Messico
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
1. la massa si conserva
2. la concentrazione tende a diminuire finché la massa occupa tutto lo spazio disponibile in modo uniforme
1 2 3
“soluto passivo”, “tracciante”
campo di moto
0dtdM
VMC
concentrazione:
“diffusione”
(eccezione: soluti reattivi Idraulica ambientale 2)
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.
La diffusioneIl flusso diffusivo opera contro il gradiente di concentrazione legge di Fick
(1855)CD
200 palline, probabilità di muoversi 0.2, scatole singole
Giustificazione fenomenologia: spostamento casuale a destra o a sinistra
N passi (tempo)
Caratteristiche dei processi diffusivi
1 2 3Dimensione caratteristica della nuvola
L(t1)
L(t3)L(t2)
DttL )(
Soluzione gaussiana autosimilare
2
2
21 2exp
2
xMxC D
con varianza Dt22
(1D, in un dominio infinito)
± 68.3%±2 95.5%±3 99.7%
“massa” compresa tra gli
estremi:
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…
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)
Oscillazioni termiche Diffusione molecolare(proprietà di sostanza-fluido)valori tipici in acqua ~ 10-5 cm2/s = 10-9 m2/s
in aria ~ 10-5 m2/s
Dispersione: descrizione fenomenologica
Modello lagrangiano: segue le particelle
componente deterministica(campo di moto assegnato)
componente casuale(turbolenza o oscillazione termica)
y
u(y)
moto convettivo non uniforme distorce la nuvola lungo x
xdiffusione ortogonale “ricompatta” la nuvola lungo y
dispersione “diffusione” incrementata lungo x
concentrazione C(x)
particelle nel dominio x,y
C(y) zoom
zoom
x
y
particelle
Simulazione numerica
x
y
Mescolamento in alvei naturali
ip. alveo largo, acqua bassa (B>>Y)
z
y
B
Yil mescolamento verticale è molto più rapido del mescolamento trasversale
Fasi del mescolamento
scaricomescolamento verticale completato
mescolamento trasversale completato
campo vicino: modello 3D, diffusione turbolenta (e molecolare)
campo intermedio: modello 2D (mediato sulla verticale), dispersione e diffusione turbolenta (e molecolare)
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
fase 2:confluenza
fase 1:mixing nel rio Sorne
fase 3:mixing nell’Adige
fase 4:cosa succede a valle?
fiume Adige
scarico massa M