UN CORSO MULTIMEDIALE SULLA QUALITA’ DELLE ACQUE: IL...

POLITECNICO DI MILANOFacoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio

Anno accademico 2000/2001

Relatori:Prof. Ing. Giulio A. De LeoProf. Ing. Giorgio Guariso

Tesi di laurea di:Valentina C. Belli Matr. 620186Paola C. Brambilla Matr. 606464

UN CORSO MULTIMEDIALE SULLA QUALITA’DELLE ACQUE: IL MODELLO QUAL2E

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RINGRAZIAMENTI

Ringraziamo il Prof. Giulio De Leo e il Prof. Giorgio Guariso per averci dato la possibilità disvolgere questo lavoro e per gli spunti creativi che ci hanno fornito.Ringraziamo inoltre il Prof. De Smedt, per aver risposto con sollecitudine alla nostrarichiesta di aiuto.Infine un grazie particolare all’Ing. Angela Sulis.

Cristina e Valentina

II

INDICE

1 INTRODUZIONE..............................................................................................................................................1

1.1 OBIETTIVI..................................................................................................................................................11.2 APPLICAZIONE ALLA GESTIONE DELLE ACQUE SUPERFICIALI ...........................................................2

1.2.1 Quadro normativo in materia di acque................................................................................... 31.3 INTERNET E QUALITÀ DELLE ACQUE ...................................................................................................121.4 INTERNET E DIDATTICA.........................................................................................................................161.5 IL NOSTRO SITO: OBIETTIVI ..................................................................................................................17

2 IL MODELLO QUAL2E...............................................................................................................................19

2.1 SVILUPPO STORICO DI QUAL2E..........................................................................................................192.2 CENNI SULLE POTENZIALITÀ DEL MODELLO......................................................................................20

2.2.1 Costituenti simulati e schematizzazione del sistema ...........................................................212.2.2 Funzionamento statico e dinamico.........................................................................................222.2.3 Funzioni forzanti .......................................................................................................................22

2.3 IL SOTTOMODELLO IDRAULICO............................................................................................................232.4 IL SOTTOMODELLO BIOCHIMICO ..........................................................................................................24

2.4.1 Clorofilla A.................................................................................................................................252.4.2 Ciclo dell’azoto .........................................................................................................................272.4.3 Ciclo del fosforo ........................................................................................................................282.4.4 BOD carbonaceo.......................................................................................................................292.4.5 Ossigeno Disciolto....................................................................................................................292.4.6 Batteri coliformi.........................................................................................................................312.4.7 Generico costituente non conservativo .................................................................................312.4.8 La dipendenza dalla temperatura...........................................................................................31

2.5 SOTTOMODELLO TERMICO ...................................................................................................................312.6 ANALISI DI INCERTEZZA .......................................................................................................................33

2.6.1 Analisi di sensitività..................................................................................................................342.6.2 Analisi dell’errore di primo ordine........................................................................................342.6.3 Simulazione Monte Carlo ........................................................................................................352.6.4 Varianza delle variabili di input.............................................................................................362.6.5 Inserimento dati.........................................................................................................................362.6.6 Limiti di QUAL2E-UNCAS......................................................................................................36

2.7 L’INTERFACCIA WINDOWS DEL MODELLO.........................................................................................372.7.1. File di input ................................................................................................................................372.7.2 Menù di scelta rapida ...............................................................................................................382.7.3 File di output..............................................................................................................................40

3 ARCHITETTURA DEL SITO .....................................................................................................................41

3.1 STRUTTURA DEL SITO WEB...................................................................................................................413.2 HOME PAGE ............................................................................................................................................433.3 LEGISLAZIONE........................................................................................................................................45

3.3.1 Leggi vigenti...............................................................................................................................453.3.2 Testo unico .................................................................................................................................453.3.3 Approfondimenti ........................................................................................................................46

3.4 MODELLISTICA DELLE ACQUE .............................................................................................................463.5 QUAL2E.................................................................................................................................................48

3.5.1 Cenni teorici...............................................................................................................................483.5.2 Interfaccia utente.......................................................................................................................513.5.3 Equazioni ....................................................................................................................................52

III

3.6 APPLICAZIONI.........................................................................................................................................523.6.1 Introduzione ...............................................................................................................................533.6.2 Asta semplice..............................................................................................................................543.6.3 Affluente ......................................................................................................................................553.6.4 Rete ..............................................................................................................................................55

3.7 PARAMETRI .............................................................................................................................................563.8 GLOSSARIO .............................................................................................................................................563.9 DOWNLOAD ............................................................................................................................................563.10 WEB-BLIOGRAPHY ...........................................................................................................................57

4 IMPLEMENTAZIONE DEL SITO ............................................................................................................58

4.1 LA REALIZZAZIONE DEL CODICE ..........................................................................................................584.2 LA GRAFICA ............................................................................................................................................594.3 GLI STRUMENTI MULTIMEDIALI...........................................................................................................59

4.3.1 La struttura delle pagine..........................................................................................................594.3.2 Le finestre indipendenti............................................................................................................604.3.3 Le mappe esplorabili ................................................................................................................614.3.4 I filmati ........................................................................................................................................664.3.5 Roll-Over Image ........................................................................................................................67

5 APPLICAZIONI..............................................................................................................................................69

5.1 LA LOGICA DI SCHEMATIZZAZIONE.....................................................................................................705.2 ASTA SEMPLICE......................................................................................................................................72

5.2.1 Esercizio 1: asta semplice con uno scarico concentrato....................................................735.2.2 Esercizio 1A: asta semplice con un affluente non simulato...............................................785.2.3 Esercizio 1B: asta semplice con due affluenti non simulati ...............................................855.2.4 Esercizio 1C: asta semplice con scarico distribuito...........................................................91

5.3 UN AFFLUENTE SIMULATO ...................................................................................................................945.3.1 Esercizio 2: asta con affluente simulato (caso base) ..........................................................955.3.2 Esercizio 2A: Analisi di incertezza.......................................................................................104

5.4 RETE ..................................................................................................................................................... 111

6 CONCLUSIONI............................................................................................................................................ 116

BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................................. 119

APPENDICE.................................................................................................................122

Cap.1: Introduzione

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1

INTRODUZIONE

1.1 Obiettivi

Il rinnovamento dell’offerta nel settore delle tecnologie dell’informazione e dellacomunicazione, e cioè la realizzazione di prodotti portatili, la semplificazione delle tecnichedi accesso a Internet, la digitalizzazione e la diminuzione dei costi, così come la necessità diapprofondimento culturale, aggiornamento e formazione professionale hanno portato allanascita della nostra tesi , il cui obiettivo è lo sviluppo di un corso multimediale sulla qualitàdelle acque tramite il programma QUAL2E.Il nostro lavoro vorrebbe essere parte di un progetto più vasto, finalizzato alla creazione disiti web inerenti modelli di settore diversi, consultabili da parte di studenti ed esperti incampo ambientale senza vincoli né di tempo né di luogo.E’ da tempo infatti che si avverte la necessità di utilizzare strumenti matematici e modelli perprocedure quali la Valutazione d’impatto ambientale o per un’univoca interpretazione dellanormativa vigente.In particolare ci siamo occupate delle problematiche della qualità delle acque fluvialiriferendoci a testi di inquinamento fluviale (Soncini Sessa e Bacci 1990 , Guariso et al.1997) e di ecologia applicata (Vismara 1988, Gatto 1985) ed abbiamo realizzato un sitoInternet che integra i contenuti tradizionali, quali testi ed immagini, con ausili multimedialicome video e mappe autoesplicative.Le pagine web che abbiamo sviluppato sono sostanzialmente raggruppabili in tre categorie.Una prima categoria riporta la normativa inerente la qualità delle acque ed in particolare icontenuti del D. Lgs. 152/99 modificato dal 258/2000, da cui è possibile consultare il testodi legge, e le tematiche trattate da leggi e direttive comunitarie dal 1976 ad oggi.

Cap.1: Introduzione

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Il secondo gruppo riporta una serie di lezioni teoriche sulle problematiche della qualità delleacque e sugli aspetti modellistici in questo campo.Infine abbiamo inserito un’ultima sezione che spiega il funzionamento del modelloQUAL2E, ne descrive i limiti e l’interfaccia utente in ogni sua schermata, ed insegna adutilizzarlo per diverse applicazioni.Tutte le pagine sono collegate ad una sezione di approfondimenti e definizioni denominata“Glossario” consultabile in qualunque momento della navigazione.L’apprendimento dell’utilizzo del programma avviene tramite lo svolgimento di una serie diesercitazioni di complessità crescente, che guidano l’utente dalla procedura di installazione,alla creazione dei file di input, all’esecuzione del modello in presenza di condizioni diverse.Il nostro scopo è stato dunque creare un corso completo, fruibile sia da principianti, chepossano prenderne visione in tutte le sue sezioni, sia da esperti interessati a consultarnesolamente alcune parti.

1.2 Applicazione alla gestione delle acque superficiali

La tutela del patrimonio idrico, come previsto da tutto il quadro normativo in materia diacque, è di primaria importanza, e a tal fine è necessaria una gestione senza sprechi edanneggiamenti che garantisca alle generazioni future il diritto di usufruire di una risorsaintegra.E’ dunque essenziale la presenza di esperti che rilevino lo stato dei corsi d’acqua perverificare il rispetto degli standard di qualità, con campagne di misura periodiche e incorrispondenza di differenti condizioni termiche, idrologiche e di carico inquinante; unausilio significativo a questo scopo è proprio l’utilizzo di programmi come QUAL2E, chepermette di simulare l’andamento di particolari indicatori (BOD, DO, coliformi, metallipesanti…) lungo l’asta fluviale.E’ inoltre indispensabile l’impiego di procedure preventive, quali la Valutazione d’impattoambientale, per poter studiare l’effetto di un dato intervento o progetto sulla qualitàdell’acqua prima della sua realizzazione, e anche in questo caso un valido supporto èrappresentato dal software considerato.Il corso on line da noi sviluppato ha dunque lo scopo di aiutare gli esperti che si occupanodella gestione dell’acqua ad apprendere come avvalersi del programma QUAL2E comestrumento di pianificazione e di monitoraggio.Grazie alle potenzialità della didattica multimediale, che permette l’apprendimento a distanzasenza vincoli di tempo né di luogo, i tecnici ambientali possono così imparare, attraversouna serie di esercizi e lezioni teoriche, a schematizzare un reticolo idrografico, a simularel’impatto di scarichi inquinanti puntuali e diffusi e a scegliere la locazione migliore pereventuali impianti o opere.

Cap.1: Introduzione

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1.2.1 Quadro normativo in materia di acque

La legislazione in materia di acque ha avuto uno sviluppo lungo diversi anni e ha portato allaredazione del Decreto Legislativo 152/99, successivamente modificato dalD.Lgs.258/2000, che, oltre a recepire una lunga serie di direttive comunitarie, ha avutoanche il ruolo fondamentale di riordinare la normativa vigente.

Il quadro normativo italiano, prima del 1999, era articolato sostanzialmente su due leggi: laL. 319/76 (Legge Merli) relativa alla tutela delle acque dall’inquinamento e la L. 36/94(Legge Galli) recante disposizioni in materia di risorse idriche.Il Decreto 152/99 conferma l’abrogazione della Legge Merli, che aveva per oggetto ladisciplina degli scarichi in tutte le acque superficiali e sotterranee; la formulazione dei criterigenerali per l’uso e lo scarico delle acque in materia di insediamenti; l’organizzazione deiservizi di acquedotto, fognatura e depurazione; la redazione di un piano generale dirisanamento delle acque, e il rilevamento sistematico delle caratteristiche qualitative equantitative dei corpi idrici.La legge definiva, per tutto il territorio nazionale, un’unica disciplina degli scarichi, basatasulla prescrizione dei limiti di accettabilità per recapito in acque superficiali e in pubblicafognatura; inoltre, partendo dal presupposto che tutti gli scarichi dovessero essereautorizzati, stabiliva il sistema delle autorizzazioni per quelli civili, e istituiva una complessastruttura di sanzioni civili e penali.Nella normativa, non sono però stati presi in considerazione alcuni aspetti essenziali pergarantire la tutela della qualità delle acque: il carico complessivo, la qualità del corpo idrico

autodepurazione, e la regolamentazione delle fonti diinquinamento diffuso (agricoltura, allevamento).Restano comunque grossi meriti, come l’introduzione della “cultura del controllo”, che hapermesso di avviare numerose operazioni di disinquinamento e di dotare di sistemidepurativi molti comuni e siti industriali.La legge Merli basava la sua operatività su tre ordini di obblighi, tutti penalmente sanzionati,nei confronti dei titolari degli scarichi:

1. l’obbligo di richiedere l’autorizzazione;

2. l’obbligo di rispettare le prescrizioni dell’autorizzazione;

3. l’obbligo di rispettare i limiti prefissati alla legge.

Le successive modifiche non hanno fatto altro che sconvolgere la disciplina che essaistituiva. In particolare, la legge Merli è stata resa inefficace con l’eliminazione quasi totaledelle sanzioni penali che ne costituivano non solo l’ossatura, ma soprattutto lo strumentopiù efficace per la prevenzione dell’inquinamento delle acque.Inoltre, i limiti certi fissati dalla legge sono stati via via sostituiti da limiti basati sulladiscrezionalità quasi totale di regioni e comuni, specie in materia di scarichi civili e pubblichefognature.

Cap.1: Introduzione

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Nonostante questo, l’applicazione della Legge Merli ha portato a discreti risultati perquanto riguarda il controllo degli scarichi industriali, mentre resta ancora lontana lasoluzione del problema legato alla depurazione degli scarichi urbani: il 30% circa dei centriurbani (tra cui Milano e Firenze) è privo di sistemi di depurazione e la maggior parte deisistemi esistenti non è tecnologicamente adeguata alle necessità depurative, soprattutto allaluce dei limiti indicati nella direttiva 91/271/CEE.

Successivamente, il carattere di patrimonio pubblico delle risorse idriche e la prioritàdell’uso per il consumo umano sono stati ampiamente ribaditi dalla legge 36 del 1994, notacome Legge Galli e tuttora vigente.Secondo quest’ultima, per favorire la riduzione dei consumi, l’Autorità di bacino deveprovvedere a definire periodicamente il bilancio idrico, e le regioni a migliorare lamanutenzione delle reti di adduzione e distribuzione, a costruire sistemi di collettamentodifferenziati per le acque piovane e per le acque reflue e ad adottare misure per il riciclodell’acqua.Le regioni sono tenute inoltre a mettere a punto, secondo ambiti territoriali ottimali, lariorganizzazione dei Servizi idrici integrati; a cui sono affidate le opere, gli impianti e lecanalizzazioni in cambio di una tariffa variabile a seconda della qualità della risorsa idrica,del servizio fornito e dei costi di gestione. I proventi delle imposte del servizio di fognaturasono destinati alla costruzione e alla gestione delle opere e degli impianti di depurazione;vengono infatti riportati i canoni per le utenze di acqua pubblica per l’uso irriguo, per ilconsumo umano e industriale, per la piscicoltura e l’uso idroelettrico ed igienico.La Legge Galli istituisce il Comitato per la vigilanza sull’uso delle risorse idriche, aiutato, nelsuo compito di tutela degli interessi dagli utenti, dall’Osservatorio dei servizi idrici.La funzione di quest’ultimo è quella di costituire una “banca dati”, in connessione con isistemi informativi delle regioni, per censire i gestori dei servizi idrici, i livelli di qualità deiservizi erogati e le tariffe applicate e per raccogliere informazioni sui modelli diorganizzazione, di gestione, di controllo e di programmazione dei servizi e degli impianti.L’accesso ai dati deve essere libero.La legge si conclude con le disposizioni sulla gestione delle aree di salvaguardia e sugli usiproduttivi delle risorse idriche.

Nel 1991 la CEE, avvertita la necessità di un'azione a livello comunitario, dato chel'inquinamento dovuto ad un trattamento insufficiente delle acque in uno Stato membro haripercussioni negative sull'ambiente e sugli altri Stati membri, redige la Direttiva 271.Con questa legge si prevede che tutti gli agglomerati si forniscano, entro le date indicate, direti fognarie per le acque reflue urbane, secondo i requisiti riportati nell'Allegato IA.E' inoltre specificato che le acque confluenti in fognature siano sottoposte, prima delloscarico, ad un trattamento secondario o ad uno equivalente, in modo che da essiprovengano scarichi adeguati agli standard dell'Allegato IB.

Cap.1: Introduzione

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La direttiva stabilisce che tutti gli Stati membri individuino, ogni quattro anni e secondo icriteri indicati nell'Allegato II, le aree sensibili presenti sul loro territorio, per le quali ènecessario un trattamento più spinto prima dello scarico, e che la progettazione degliimpianti tenga conto delle variazioni stagionali di carico.Lo scarico di acque reflue industriali in reti fognarie e impianti di trattamento delle acqueurbane deve essere preventivamente sottoposto a regolamentazioni e/o autorizzazioni daparte dell'autorità competente, come riportato nell'Allegato IC, e i fanghi provenienti daitrattamenti devono essere riutilizzati, quando possibile, ma in ogni caso non più smaltiti nelleacque superficiali dopo il 1998.Vengono riportate infine le modalità con cui effettuare i controlli sugli scarichi per verificarnela conformità agli standard e le disposizioni circa il rapporto che ogni Stato deve pubblicare

Sempre nel 1991, partendo dal presupposto che, in alcune regioni degli Stati Membri, ilcontenuto di nitrati nell’acqua è in aumento, la Comunità Europea definisce con la Direttiva91/676 la necessità di una azione collettiva, ai fini di controllare i problemi derivanti

Inoltre, sottolinea come i nitrati di origine agricola siano la principale causa di inquinamentoda fonti diffuse.La direttiva si pone essenzialmente due obiettivi: ridurre l’inquinamento causatodirettamente o indirettamente dai nitrati di origine agricola e prevenire qualsiasi ulterioreinquinamento di questo tipo, stabilendo un termine di due anni per l’adeguamento alle suedisposizioni.Il compito di definire le zone vulnerabili, intese come tutte quelle zone che scaricano nelleacque inquinate o potenzialmente tali, è delegato agli Stati Membri e nell’Allegato Ivengono riportati i criteri per l’individuazione delle acque inquinate e di quelle chepotrebbero diventarlo, in assenza di intervento.I codici di buona pratica agricola e i programmi d’azione per le zone vulnerabili sono glistrumenti a disposizione degli Stati Membri; questi ultimi devono tenere conto dei datiscientifici e tecnici disponibili e comprendere le misure contenute nell’Allegato III pergarantire che gli effluenti di allevamento sparsi sul terreno ogni anno non superino un certovalore di soglia.Infine vengono definite le modalità di controllo e campionamento per le acque dolci,differenti a seconda che si tratti di acque superficiali o sotterranee, ed inoltre si rimandaall’Allegato IV per quanto riguarda i metodi di misura di riferimento.

Finalmente nel 1999 viene redatto il Decreto Legislativo 152 che riporta le disposizionisulla tutela delle acque dall’inquinamento e i recepimenti delle direttive 91/271/CEE e91/676/CEE. Ai fini della salvaguardia ambientale, l’elemento da tutelare è il corso d’acquanelle sue caratteristiche morfologiche, geologiche e idriche.

Cap.1: Introduzione

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Sostanzialmente, l’oggetto della tutela viene individuato nel livello di deflusso atto agarantire la salvaguardia della flora e della fauna.Il Decreto si pone i seguenti obiettivi:

1. Prevenire, ridurre l’inquinamento e attuare il risanamento dei corpi idrici inquinati;

2. Migliorare lo stato delle acque e proteggere quelle destinate a particolari usi;

3. Perseguire usi sostenibili e durevoli delle risorse idriche, con priorità per quelle potabili;

4. Mantenere la capacità di autodepurazione dei corpi idrici e la capacità di sostenerecomunità animali e vegetali diversificate.

Gli strumenti usati per perseguire gli scopi citati sono individuabili in:

1. Definizione di obiettivi di qualità ambientale e per specifica destinazione dei corpi idrici;

2. Tutela integrata degli aspetti qualitativi e quantitativi nell’ambito di ogni bacinoidrografico ed un adeguato sistema di controlli e sanzioni;

3. Rispetto dei valori limite agli scarichi fissati dallo Stato, e definizione di valori limite inrelazione agli obiettivi di qualità del corpo recettore;

4. Adeguamento dei servizi di fognatura, collettamento e depurazione degli scarichi idrici,nell’ambito del servizio idrico integrato;

5. Individuazione di misure per la prevenzione e la riduzione dell’inquinamento nelle areesensibili;

6. Individuazione di misure tese alla conservazione, al risparmio, al riutilizzo e al riciclodelle risorse idriche.

Il decreto indica gli obiettivi minimi di qualità ambientale per i corpi idrici significativi (definitiin funzione della loro capacità di mantenere i processi naturali autodepurativi) e gli obiettiviper specifica destinazione, ovvero lo stato delle risorse idriche idonee ad una particolareutilizzazione.Le regioni sono tenute a stabilire, entro le date precisate e per ciascun corpo idricosignificativo, la classe di qualità corrispondente ad una di quelle indicate nell’Allegato I.Le misure atte a conseguire il mantenimento degli obiettivi di qualità vengono adottatemediante il piano di tutela delle acque, che costituisce un piano di stralcio di settore delpiano di bacino e deve essere adottato dalle regioni entro il 31 dicembre 2003.All’Autorità di bacino è affidato il compito di definire gli obiettivi su scala di bacino, cuidevono attenersi i piani di tutela, e fissare le priorità degli interventi ritenuti necessari.Per compilare il piano di tutela, le regioni provvedono ad elaborare programmi per laconoscenza dello stato delle acque all’interno di ciascun bacino, e a promuovere accordi diprogramma con l’ANPA, le agenzie regionali e provinciali dell’ambiente e gli altri entiinteressati, al fine di garantire il flusso e l’uniformità delle informazioni raccolte.

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Inoltre il Decreto Legislativo 152 del 1999 definisce alcune aree come sensibili (individuatesecondo i criteri dell’Allegato VI), ma prevede la possibilità da parte delle regioni didesignarne altre; ogni quattro anni bisogna comunque provvedere alla loro reidentificazione.All’Articolo 19 sono riportate le modalità di recepimento della Direttiva 91/676sull’inquinamento da nitrati di origine agricola; particolare attenzione è posta sulladefinizione di aree vulnerabili, da effettuarsi ogni quattro anni, e sugli interventi diformazione agli agricoltori sul codice di buona pratica agricola.Un principio innovatore introdotto dal D.Lgs. 152/99 consiste nella pianificazione dell’usodelle acque onde salvaguardare la qualità della risorsa e consentire un consumo idricosostenibile.Lo strumento di riferimento a tal fine è il bilancio idrico, già introdotto dalla Legge Galli.Con il piano di tutela vengono adottate le misure volte ad assicurarne l’equilibrio, tenendoconto dei fabbisogni, delle disponibilità, del minimo deflusso vitale e delle destinazioni d’usodella risorsa.Il ministro dei lavori pubblici definisce le linee guida per la predisposizione del bilancio, icriteri per il censimento degli utilizzi e per la definizione del minimo deflusso vitale.Il Capo III contiene i recepimenti della Direttiva 91/271 prevedendo la dotazione da partedegli agglomerati di reti fognarie per le acque reflue urbane e il rispetto dei valori limite diemissione (non conseguibili tramite diluizione) riportati nell’Allegato V per gli scarichi;questi devono essere accessibili per il campionamento.E’ necessario che le acque reflue urbane siano sottoposte, prima dello scarico, ad untrattamento secondario od equivalente e ad un trattamento più spinto se in aree sensibili.Tutti gli scarichi devono essere preventivamente autorizzati e l’autorizzazione è valida perquattro anni dal momento del rilascio, a differenza da quanto previsto dall’ormai abrogataLegge Merli per cui l’autorizzazione era definitiva.La possibilità di scaricare, comunque, è dipendente dalla capacità di diluizione del corpoidrico e dal periodo di portata nulla.Infine vengono previsti al Capo III controlli degli scarichi da parte dell’autorità competente(il gestore del Servizio idrico integrato secondo quanto riportato nella Legge Galli) esanzioni amministrative e penali per chiunque determini un pericolo di inquinamentoambientale con l’obbligo di procedere alla bonifica a spese dello stesso.

Il decreto correttivo e integrativo del D.Lgs. 152/99, il D.Lgs. 258/2000, apportamodifiche relativamente a competenze, aree sensibili, salvaguardia delle acque destinate alconsumo umano, bilancio idrico, temporaneità delle concessioni per il prelievo delle acque,disciplina degli scarichi, sanzioni amministrative e penali.Inoltre, ne sostituisce in toto gli allegati.Il primo e significativo allegato al Decreto è quello riguardante il monitoraggio e laclassificazione delle acque in funzione degli obiettivi di qualità ambientale.Secondo quanto precisato nella normativa lo stato di qualità ambientale di un corpo idricosuperficiale è definito sulla base di:

Cap.1: Introduzione

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•• Stato ecologico: espressione della complessità degli ecosistemi acquatici e della naturafisica e chimica delle acque e dei sedimenti, delle caratteristiche del flusso idrico edella struttura fisica del corpo idrico, considerando comunque prioritario lo stato deglielementi biotici dell’ecosistema;

•• Stato chimico: stabilito in base alla presenza di microinquinanti ovvero di sostanzechimiche pericolose. Al fine di una valutazione completa dello stato chimico, l’ANPAdovrà mettere a punto metodi per la rilevazione e la valutazione della qualità deisedimenti, nonché per la valutazione degli effetti sulle componenti biotiche degliecosistemi;

•• Stato ambientale. Può essere classificato come:Elevato: la qualità biologica è caratterizzata da una abbondanza di speciecorrispondente, totalmente o quasi, alle condizioni normalmente associate allo stessoecotipo, mentre la presenza di microinquinanti è paragonabile alle concentrazioni difondo rilevabili nei corpi idrici nei quali la pressione antropica è assente;Buono: la qualità biologica mostra bassi livelli di alterazione legate all’attività umana e laconcentrazione di microinquinanti è tale da non comportare effetti a breve e lungotermine sulle comunità biologiche associate al corpo idrico di riferimento;Sufficiente: la qualità biologica si discosta moderatamente da quella associata allostesso ecotipo in condizioni non disturbate (i valori cominciano a mostrare segni dialterazione, legati all’attività umana). La concentrazione di microinquinanti noncomporta effetti a breve e lungo termine;Scadente: si rilevano alterazioni considerevoli dei valori degli elementi di qualitàbiologica e le comunità biologiche interessate si discostano sostanzialmente da quelle dinorma associate al tipo di corpo idrico considerato. La concentrazione dimicroinquinanti è tale da comportare effetti a medio e lungo termine sulle comunitàbiologiche presenti.Pessimo: i valori degli elementi di qualità biologica presentano alterazioni gravi emancano ampie porzioni delle comunità biologiche che di norma sono presenti. Lapresenza di microinquinanti è in concentrazioni da comportare gravi effetti a breve elungo termine sulle comunità biologiche associate al corpo idrico di riferimento.

Per quanto riguarda il monitoraggio l’Allegato 1 prevede che questo si articoli in due fasi.La prima fase, detta conoscitiva, ha come scopo la classificazione dello stato di qualitàambientale dei corpi idrici, la raccolta di tutte le informazioni utili per la valutazione deglielementi biologici ed idromorfologici che servono a definire lo stato ecologico e lavalutazione delle informazioni relative alla contaminazione da microinquinanti dei sedimenti edel biota.La seconda fase, chiamata fase a regime, ha la finalità di verificare il raggiungimento e ilmantenimento dell’obiettivo di qualità: l’autorità competente può variare la frequenza dicampionamento e il numero delle stazioni della rete di rilevamento, in relazione allo stato diqualità del corso d’acqua.

Cap.1: Introduzione

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Deve essere inoltre predisposto, presso ogni ARPA, un sistema di pronto intervento ingrado di monitorare gli effetti ed indagare sulle cause di fenomeni acuti di inquinamentocausati da episodi accidentali o dolosi.Per quanto concerne gli indicatori di qualità e le analisi da effettuare, per la primaclassificazione dei corsi d’acqua si devono considerare:

•• La matrice acquosa, in relazione a due gruppi di parametri selezionati dall’autoritàcompetente in base alle criticità conseguenti agli usi del territorio: i parametri di base equelli addizionali.

I primi riflettono le pressioni antropiche tramite la misura del carico organico, delbilancio dell’ossigeno, dell’acidità, del grado di salinità e del carico microbiologico,nonché le caratteristiche idrologiche del trasporto solido. La determinazione deiparametri di base è obbligatoria. I secondi sono relativi ai microinquinanti organici edinorganici.

•• Biota, in relazione a due gruppi di analisi: quello obbligatorio delle analisi di base, chevaluta gli impatti antropici sulle comunità animali attraverso l’Indice Biotico Esteso, equello delle analisi supplementari, secondo il giudizio dell’autorità preposta almonitoraggio.

Se necessario, si possono prendere in considerazione anche test di tossicità e indagini suisedimenti, svolte a discrezione dell’autorità preposta al monitoraggio, per avere ulteriorielementi conoscitivi utili a determinare le cause di degrado ambientale, in particolare perricercare quegli inquinanti che presentano una maggiore affinità con i sedimenti rispetto chealla matrice acquosa.Per ogni corso d’acqua, viene definito un numero minimo di stazioni di prelievo, in funzionedella tipologia del corso d’acqua stesso e dell’estensione del bacino imbrifero.In ogni caso, le autorità competenti possono aumentare il numero delle stazioni, in presenzadi particolari valori naturalistici e paesaggistici, o per particolari utilizzazioni.Le stazioni di prelievo sono distribuite lungo l’intera asta del corso d’acqua, tenendo contodella presenza degli insediamenti urbani, degli impianti produttivi e degli apporti provenientidagli affluenti.I punti di campionamento devono essere ad una distanza dal punto di immissione tale dagarantire il rimescolamento delle acque, al fine di valutare la qualità del corpo recettore enon quella degli apporti.In ogni caso, deve essere posta una stazione di prelievo nella sezione di chiusura di ognicorpo idrico significativo.La misura di portata può essere effettuata in modo puntuale in corrispondenza del punto dicampionamento e contestualmente allo stesso o desunta dai valori di portata rilevati incontinuo presso stazioni fisse.Relativamente alla frequenza del campionamento, durante la fase iniziale del monitoraggio lamisura dei parametri chimici, fisici, microbiologici e idrologici di base e di quelli relativi ai

Cap.1: Introduzione

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parametri addizionali (se necessario) deve essere eseguita una volta al mese, fino alraggiungimento dell’obiettivo di qualità.La misura per i sedimenti deve essere svolta una volta all’anno, durante i periodi di magra(e comunque lontano da eventi di piena), ovvero durante i periodi favorevoli alladeposizione del materiale sospeso, mentre l’indice Biotico Esteso va misuratostagionalmente (4 volte all’anno). I test biologici addizionali e quelli di bioaccumulo, quandorichiesti, vanno eseguiti nei periodo di maggiore criticità per il sistema.Per la fase a regime: la frequenza di campionamento si mantiene inalterata fino alraggiungimento dell’obiettivo di qualità ambientale. Raggiunto tale obiettivo, essa può essereridotta dall’autorità competente, ma non deve comunque risultare inferiore a quattro volteall’anno per i parametri di base e inferiore a due per l’Indice Biotico Esteso.Per quanto riguarda la misura di portata, deve essere garantito per ogni stazioneidrometrica, un numero annuo di determinazioni sufficiente a mantenere aggiornata la scaladi deflusso.

Per la redazione dei piani di tutela, le regioni devono raccogliere ed elaborare i dati relativialle caratteristiche dei bacini idrografici, seguendo le indicazioni riportate dall’Allegato III.A tal fine, è necessario un coordinamento da parte delle regioni, anche con il supporto delleautorità di bacino, per individuare, per ogni bacino idrografico, un Centro diDocumentazione che abbia il compito di raccogliere, catalogare e diffondere le informazionisulle caratteristiche dei bacini idrografici ricadenti nei territori di competenza.La fase conoscitiva è finalizzata a raccogliere informazioni relative agli aspetti geografici,alle condizioni geologiche, idrologiche e climatiche integrate da rapporti circa lecaratteristiche socio-economiche, la tipizzazione di aree naturali protette e lacaratterizzazione faunistica e vegetazionale dell’area del bacino idrografico.L’Allegato III chiarisce inoltre il contenuto delle schede informatizzate associate a ciascun

•• I dati derivanti dall’attività di acquisizione;

•• Le informazioni relative all’impatto esercitato dalle attività antropiche sullo stato delleacque superficiali, all’interno di ciascun bacino idrografico. Tale esame dovràriguardare, in particolare la stima dell’inquinamento da fonte puntuale, basandosi sulcatasto degli scarichi (se questo è aggiornato almeno al 1996) oppure su stime legatead indici di tipo statistico, la stima dell’inquinamento da fonte diffusa, i datisull’estrazione delle acque e sui relativi usi e le analisi delle altre incidenze antropichesullo stato delle acque;

•• I dati derivanti dalle azioni di monitoraggio e classificazione per i corpi idrici individuaticome significativi (All. I).

Con l’Allegato IV vengono stabiliti i contenuti dei Piani di tutela delle acque, che devonoessere:

Cap.1: Introduzione

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•• Una descrizione generale delle caratteristiche del bacino idrografico, comprendenteuna rappresentazione cartografica dell’ubicazione e del perimetro dei corpi idrici conindicazione degli ecotipi presenti per le acque superficiali, una rappresentazionecartografica della geometria e delle caratteristiche idrogeologiche delle singole zoneper le acque sotterranee e la suddivisione del territorio in zone acquifere omogenee;

•• Una sintesi delle pressioni e degli impatti significativi esercitati dall’attività antropicasullo stato delle acque superficiali e sotterranee;

•• Un elenco e una rappresentazione cartografica delle aree, in particolare delle areesensibili e delle zone vulnerabili;

•• Una mappa delle reti di monitoraggio e una rappresentazione in formato cartograficodei risultati dei programmi di monitoraggio per lo stato delle acque superficiali (statoecologico e chimico), delle acque sotterranee (stato chimico e quantitativo) e delleacque a specifica tutela;

•• Un elenco degli obiettivi di qualità;

•• Una sintesi dei programmi per le misure adottate;

•• Una sintesi dei risultati dell’analisi economica, delle misure definite per la tutela deicorpi idrici e per il perseguimento degli obiettivi di qualità, anche allo scopo di unavalutazione costi-benefici delle misure previste e delle azioni relative all’estrazione edistribuzione delle acque dolci, della raccolta e depurazione e riutilizzo delle acquereflue;

•• Una sintesi dell’analisi integrata dei diversi fattori che concorrono a determinare lostato di qualità ambientale dei corpi idrici;

•• Una relazione sugli eventuali ulteriori programmi o piani più dettagliati adottati perdeterminati sottobacini.

Il primo aggiornamento del Piano di tutela delle acque, così come tutti i successivi,dovranno inoltre includere le sintesi di eventuali modifiche con una valutazione dei progressieffettuati verso il raggiungimento degli obiettivi ambientali, un riepilogo delle misure previstenella precedente versione del Piano di gestione dei bacini idrografici non realizzate e unoschema delle misure supplementari adottate successivamente alla data di pubblicazionedella precedente versione del Piano di tutela del bacino idrografico.

L’Allegato VI riguarda i criteri per l’individuazione delle aree sensibili, cioè i sistemi idriciclassificabili in uno dei seguenti gruppi:

•• Laghi naturali, acque dolci, estuari e acque del litorale già eutrofizzati, o esposti aprossima eutrofizzazione, in assenza di interventi protettivi specifici;

•• Acque dolci superficiali destinate alla produzione di acqua potabile che potrebberocontenere, in assenza di interventi, una concentrazione di nitrato superiore a 50 mg/l;

Cap.1: Introduzione

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•• Aree che necessitano, per gli scarichi afferenti, di un trattamento supplementare altrattamento secondario al fine di conformarsi alle prescrizioni previste dalla presentenorma;

•• I laghi posti ad una altitudine sotto i 1100 m. sul livello del mare.

Le norme per il recepimento della direttiva 91/676/CEE vengono definite nell’AllegatoVIIA: zone vulnerabili da nitrati di origine agricola.Si considerano zone vulnerabili le zone di territorio che scaricano direttamente oindirettamente composti azotati in acque già inquinate o che potrebbero esserlo inconseguenza di tali scarichi.Nell’individuazione delle zone vulnerabili, le regioni tengono conto delle caratteristichefisiche ed ambientali delle acque e dei terreni che determinano il comportamento dei nitratinel sistema acqua/terreno, del risultato conseguibile attraverso i programmi di azioneadottati e di eventuali ripercussioni che si avrebbero in assenza di intervento.La concentrazione dei nitrati deve essere controllata per un periodo di durata di almeno unanno ed il controllo va ripetuto almeno ogni quattro anni.Sempre ogni quattro anni, è sottoposto a riesame lo stato eutrofico delle acque dolcisuperficiali, di transizione e costiere, adottando i provvedimenti del caso.Per quanto riguarda gli aspetti metodologici, l’individuazione delle zone vulnerabili vieneeffettuata tenendo conto dei carichi (specie animali allevate, intensità e tipologia degliallevamenti, tipologia dei reflui derivanti e modalità di applicazione al terreno, coltivazioni efertilizzazioni in uso) nonché dei fattori ambientali che possono concorrere a determinareuno stato di contaminazione.Al fine di individuare sull’intero territorio nazionale le zone vulnerabili ai nitrati, si ritieneopportuno procedere ad un’indagine preliminare di riconoscimento, che deve essere inseguito revisionata, sulla base di aggiornamenti successivi, conseguenti anche ad eventualiulteriori indagini di maggiore dettaglio.Questa indagine deve essere realizzata alla scala cartografica opportuna, su basetopografica possibilmente informatizzata, da parte delle regioni, con il supporto delle ARPA(ove già costituite), ed ha come obiettivo l’individuazione delle porzioni di territorio dove lesituazioni pericolose per le acque sotterranee sono particolarmente evidenti.I fattori critici per l’individuazione delle zone vulnerabili sono:

•• Presenza di un acquifero libero o parzialmente confinato;

•• Presenza di una litologia di superficie prevalentemente permeabile;

•• Presenza di suoli a capacità di attenuazione bassa.

L’indagine preliminare può essere approfondita ed aggiornata, con i dati provenienti dada gestire possibilmente mediante un sistema GIS.

Cap.1: Introduzione

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1.3 Internet e qualità delle acque

Numerose sono le applicazioni nate per lo sviluppo di modelli e sistemi di scambio di dati inmateria ambientale reperibili nel Word Wide Web.Una di queste è il “Progetto GAIA” (Governo dell’Ambiente ed Informazione Ambientale)(http://www.regione.piemonte.it/ambiente/sina/gaia/), approvato e finanziato nel ProgrammaTriennale per la Tutela dell’Ambiente (PTTA 1994/96) nell’ambito del progetto diattuazione del SINA (Sistema Informativo Nazionale Ambientale), e realizzato dallacollaborazione della Regione Piemonte, della Provincia Autonoma di Trento, dalla RegioneLiguria, dalla Regione Basilicata e dalla Provincia Autonoma di Bolzano, sotto ilcoordinamento dell’Agenzia Nazionale per la Protezione dell’Ambiente.Il progetto si propone di dare una risposta alla necessità di cooperazione della pluralità disoggetti interessati, realizzando un sistema informativo accessibile da parte di utenti conesigenze diverse, e in grado di supportare le Pubbliche Amministrazioni per attività dipianificazione, controllo e diffusione delle informazioni.Gaia costituisce dunque lo strumento per rendere disponibili le informazioni prodotte daidiversi settori e dipartimenti regionali e dai risultati di altri progetti interregionali, qualiAQUARIUM.Alcuni esempi del catalogo dei servizi informativi consultabili in modalità Internet sono:

•• Consultazione della normativa ambientale tecnica;

•• Pianificazioni e programmi vigenti;

•• Rappresentazione della cartografia geologica – tecnica – pedologica;

•• Soggetti amministrativi competenti per territorio;

•• Infrastrutture presenti in un’area;

•• Fattori di criticità e sensibilità del territorio per gli aspetti naturali ed antropici;

•• Accesso ai dati per comparto ambientale e rappresentazione tematica su basegeografica;

•• Concentrazioni di inquinanti rilevati dalle stazioni automatiche di monitoraggio.Ecc.

Accanto a GAIA è stato sviluppato il progetto AQUARIUM(http://www.aquarium.infotn.it/), sistema per la gestione integrata del ciclo dell’usodell’acqua, realizzato dalle Provincie autonome di Trento e di Bolzano – Alto Adige, dallaRegione Piemonte, Liguria, Emilia Romagna, Toscana ed Umbria.Il piano ha lo scopo di rendere disponibile un sistema software di ausilio alle attività digoverno e di pianificazione dell’uso delle risorse idriche per utenti esperti operanti, ai diversilivelli decisionali, nell’ambito delle pubbliche amministrazioni e del Ministero dell’Ambiente.Le funzionalità offerte consentono di svolgere studi di analisi territoriale con adeguati modellidi simulazione relativi agli aspetti qualitativi e quantitativi della risorsa idrica e strumenti disupporto per la previsione di scenari.

Cap.1: Introduzione

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Il sistema AQUARIUM, trattando dati relativi ai corpi idrici (acque superficiali,sotterranee, marine e di transizione), alle infrastrutture (opere di captazione, trasporto edistribuzione, collettori, fognature e depuratori) e alle entità correlate (fattori di pressioneantropica, dati di inquadramento territoriale, vincoli, limiti amministrativi e piani urbanistici),si propone anche come strumento per l’interscambio dei dati ambientali.

Presso il sito www.life.cpr.it abbiamo trovato un’interessante applicazione di QUAL2E:“Monitoraggio e controllo dell’inquinamento del fiume Arno nel Comprensorio del Cuoio”.Il progetto fa parte del programma Life della Comunità Europea ed ha per finalità la messaa punto di un sistema informatico avanzato per il monitoraggio ed il controllodell'inquinamento dei corsi d'acqua superficiali di una data area geografica. L'areaindividuata per la sperimentazione, che si prefigge di realizzare una banca datigeoreferenziata supportata da uno strumento GIS (Geographic Information System),sviluppare un modello dinamico di qualità fluviale e di analizzare i metodi di controllodell'inquinamento, è costituita dal Comprensorio del Cuoio nel bacino del fiume Arno.Per la valutazione dell'inquinamento di un fiume è necessario considerare aspetti quali lapresenza di centri abitati, l'esistenza di depuratori, attività produttive, i tipi di terreno adibitia coltivazione lungo il fiume, ecc. Questi dati vengono facilmente resi disponibili dall’utilizzodi uno strumento GIS, un sistema in grado di manipolare agevolmente dati georeferenziati(ossia dati che si riferiscono ad una localizzazione sulla superficie terrestre), permettendoquery di informazione su base geografica ed elaborazione dei dati tramite strumenti come lasovrapposizione automatica di livelli geografici (map overlay).L'importanza di tali strumenti risiede nella capacità di mettere in relazione dati eterogeneiutilizzando come chiave comune la geografia.I due modelli di qualità dell’acqua utilizzati sono il modello chimico Woda ed il modelloecologico QUAL2E, mentre i GIS utilizzati sono stati Arc-Info ed ArcView della ESRIInc.Il sistema permette ad un utente di simulare lo stato del fiume nei suoi aspetti idraulico echimico e di operare analisi del tipo "What if", sfruttando le potenzialità sia del modelloQUAL2E che di Woda.Il sistema realizzato è basato su quattro blocchi principali:

1. Un’interfaccia utente attraverso la quale l’operatore interagisce col sistema;

2. Una base di modelli;

3. Un archivio di dati spaziali che descrivono il corso del fiume, le sorgenti di inquinanti, ipunti di depurazione e una serie di altri oggetti geografici interessati al problema (centriabitati, attingimenti di acqua per uso potabile o agricolo, infrastrutture, ecc.);

4. Un Sistema Esperto basato su un motore inferenziale e un insieme di regole e fatti.

Cap.1: Introduzione

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Un altro progetto europeo, per la previsione della concentrazione di inquinanti ambientali, sitrova all’indirizzo http://hobbes.rug.ac.be/greater/greater.html e prende il nome di GREAT-ER (Geography-referenced Regional Exposure Assessment Tool for European Rivers).Questo lavoro ha lo scopo di sviluppare un valido strumento di predizione per i rischiambientali nella Comunità Europea, da applicare dapprima per un numero limitato di casi distudio e successivamente su larga scala.Gli output forniti dal modello, che si avvale di un approccio GIS per la manipolazione deidati, consistono nelle concentrazioni previste di inquinanti chimici e nei parametri di qualitàdelle acque.

L’Agenzia per la Protezione dell’Ambiente americana (EPA) ha creato, nel 1996, unsistema per il controllo dell’inquinamento delle risorse idriche chiamato BASINS (BetterAssesssment Science Integrating Point and Nonpoint Sources), che integra un sistema GIS(ArcView), i dati nazionali relativi alle acque e i modelli matematici (tra cui QUAL2E) in ununico pacchetto.Gli scopi che hanno portato allo sviluppo di questo progetto sono facilitare l’esame delleinformazioni ambientali, fornire una piattaforma di calcolo e permettere l’analisi dialternative per gli scarichi puntuali e distribuiti.E’ possibile trovare tutte le informazioni relative a BASINS presso il sitohttp://www.epa.gov/ost/BASINS/ e un corso di apprendimento sulle sue potenzialità

http://www.tmdl.org/basins/index.htm.

Un’ultima applicazione di notevole interesse è HYPERMODEL, un progetto contenentepiù di cento modelli ambientali ed un’interfaccia per la scelta di quello più appropriato adogni caso di studio (Guariso e Tracanella, 1995).Questo programma è nato per sopperire al mancato utilizzo dei numerosi strumenti per lasimulazione dei fenomeni ambientali sviluppati negli ultimi anni, dovuto alla scarsa reperibilitàdi informazioni e alla assenza di un semplice sistema che guidi alla scelta del modello, ai datinecessari, al metodo di taratura.HYPERMODEL quindi, garantendo un accesso alle informazioni in modo interattivo e nonsequenziale tramite ipertesti, permette lo screening di modelli esistenti, la selezione delsoftware più indicato per un preciso scopo e fornisce una guida al suo utilizzo.L’architettura del sistema è costituita da quattro elementi differenti: una prima sezionecontenente una descrizione tecnica di ogni programma (gli autori, i requisiti difunzionamento ecc.), un settore relativo alle basi teoriche dei modelli (la descrizionematematica, gli algoritmi numerici ecc.), uno con i manuali ed infine un’ultima parte con icasi applicativi.E’ possibile navigare all’interno del sistema utilizzando gli indici che riportano le diversesezioni presenti, tramite i percorsi guidati oppure ricercando, con l’apposita opzione,

Cap.1: Introduzione

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1.4 Internet e didattica

Per poter realizzare un sito utile all’apprendimento e comprendere le caratteristiche cheogni corso on-line dovrebbe possedere, abbiamo ricercato nel World Wide Web esempidi esperienze di questo tipo già maturate.Il caso più significativo in cui ci siamo imbattute è sicuramente quello sviluppato dal CentroMETID (Metodi E Tecnologie Innovative per la Didattica) del Politecnico di Milano, cheutilizza Internet per l’insegnamento a distanza.(www.metid.polimi.it).Il METID si propone di supportare i docenti universitari nell'innovazione della lorodidattica, coerentemente con il metodo e le risorse tecnologiche del Centro e di attivarecollegamenti che collochino il Politecnico all'avanguardia nella sperimentazione delladidattica innovativa stabilendo, a questo scopo, legami: a livello nazionale, nel settore delleistituzioni scolastiche ed universitarie, del terziario avanzato e della formazione e a livellointernazionale nell'ambito di progetti europei di cooperazione.Il Sistema Corsi On-line del METID ha infatti lo scopo di allestire ambienti di supportoall'istruzione e alla formazione che integrino contenuti, sia di natura "tradizionale" (adesempio testi e immagini) che multimediale (ad esempio audiovisivi e virtualizzazioni), eservizi telematici per l'interazione docente-studente e studente-studente (ad esempio servizidi posta elettronica e chat).Il Centro ha creato un portale che rende attualmente disponibili circa 30 corsi gratuiti,relativi alle facoltà di Ingegneria, Architettura, Disegno Industriale di varie sedi delPolitecnico fruibili diversamente in base alle esigenze dell'utente.A seconda che sia o meno registrato, questi può accedere a un numero variabile di risorse.Di norma, i destinatari non registrati possono raggiungere solo una parte del materiale deicorsi, mentre gli utenti registrati accedono ad un ambiente didattico simulato, la classevirtuale, che mediante appositi servizi ad alto tasso di interattività rende possibili operazioniquali la comunicazione con il docente e/o con gli altri studenti, la verifica del proprio livellodi apprendimento, e così via.Dal settembre 2000 inoltre, il METID ha creato un corso con il quale gli studenti possonoconseguire la laurea di primo livello in Ingegneria Informatica con percorsi, tempi e modalitàdi apprendimento molto differenti, dal recupero fino all'eccellenza (www.laureaonline.it).Nella Laurea on-line non è il docente a mancare, ma il contatto fisico tra studente edocente: l'attività dello studente si basa infatti sulla disponibilità di materiali off-line (CD-rom) e on-line (accesso a siti dedicati), su momenti di interazione sincroni (chat) e asincroni(newsgroup) con il docente, su verifiche in itinere, su attività di tutoraggio e collaborative.Gli aspetti caratterizzanti della Laurea on-line sono l'uso di formati didattici che integranodifferenti media (testo, audio, video, animazioni, ecc.), ma anche diverse modalità dicomunicazione (sincrona e asincrona, individuale e di gruppo, ecc.), un'alta interattivitàinsieme alla possibilità, per il docente, di avere una verifica continua del livello diapprendimento dello studente e, per lo studente stesso, di valutare la propria preparazione.Inoltre gli allievi seguono percorsi individuali in base alle loro esigenze e caratteristichefrequentando delle classi virtuali in cui poter scambiare materiale didattico multimediale.

Cap.1: Introduzione

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Un altro ente che si occupa della didattica a distanza è il Consorzio InteruniversitarioFOR.COM (Formazione per la Comunicazione) fondato dall’Università di Roma “LaSapienza” in collaborazione con altre università come quella di Torino(www.forcom.unito.it/communico).I corsi promossi dal FOR.COM possono essere di specializzazione, perfezionamento,formazione e aggiornamento professionale e vengono incontro alle esigenze diriqualificazione per tutti coloro che già prestano servizio nell'amministrazione dello Stato,negli enti pubblici e privati nonché nelle aziende, e alle esigenze di professionalizzazionedegli allievi che hanno terminato da poco gli studi superiori.Anche per questi insegnamenti è prevista un’organizzazione degli studenti in classi virtuali inmodo da fornire ai partecipanti la possibilità di connettersi e intervenire in tempi differenti,scelti secondo le loro necessità o convenienze, e senza richiedere la loro presenza fisica inuno stesso luogo.

Infine abbiamo scoperto numerose lezioni on-line nei più svariati argomenti dagli hobbypersonali, alla scienza, alla finanza all’informatica fino all’arte presso il sitowww.SmartPlanet.com.SmartPlanet è una comunità di apprendimento che permette agli utenti registrati diconoscere diverse materie nella maniera e nei tempi preferiti e di interagire con gli altrifruitori dei corsi.La comprensione di ogni argomento, dalla creazione di una torta perfetta alla costruzione diun sito web, viene favorita dall’impiego di filmati accompagnati da commenti sonori, dallapossibilità di rivolgere domande ad esperti e colleghi e dallo svolgimento di particolari testdi verifica delle proprie conoscenze.

1.5 Il nostro sito: obiettivi

Con il nostro lavoro abbiamo cercato di realizzare un sito web che presentasse tutte lecaratteristiche che un corso costituito da lezioni ed esercitazioni dovrebbe avere.Il primo requisito che ci siamo prefisse di raggiungere è stato quello di rendere fruibilel’insegnamento a tutti garantendone la massima distribuzione.Dunque abbiamo realizzato un sito Internet, consultabile da qualsiasi computer collegatoalla rete, che andasse incontro all’esigenza di una formazione continua per rispondere allemutevoli richieste del mercato del lavoro e delle professioni e abolisse le costrizioni ditempo e luogo poste dall’apprendimento in aula.In secondo luogo, proprio in seguito alla necessità di utilizzare strumenti matematici perprocedure quali la Valutazione d’impatto ambientale o per un’univoca interpretazione dellanormativa vigente, abbiamo scelto di incentrare le lezioni su un modello di qualità standard emolto diffuso.

Cap.1: Introduzione

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Queste qualità insieme con la sempre maggiore attenzione alla tutela delle acque da partedella Comunità Europea, che ha portato alla redazione del nuovo Decreto Legislativo258/2000, ci hanno spinto a optare per il modello QUAL2E realizzato dall’EPA.Il software appena citato è largamente impiegato negli Stati Uniti; esistono infatti, nel Web,numerose applicazioni a casi reali che abbiamo consultato per imparare a conoscerlo(Town of Cary - North Carolina 1997, Red River – North Dakota1990, Sava River –Slovenia 1999, Lower Russian River System – California 1994, e alcuni studi sviluppati dalProfessor De Smedt dell’Università di Bruxelles: Choqueyapu River – Bolivia 1999, TinishuAkaki – Etiopia 1996, Machangara River – Ecuador 1998).Inoltre un corso on-line dovrebbe essere caratterizzato dall’impiego di ipertesti checonsentano di passare da un punto della navigazione ad un altro senza dover scorrereobbligatoriamente tutto il testo.Per questo motivo abbiamo organizzato le pagine con dei frame, contenenti sul lato sinistrol’indice della sezione attiva, in modo da permettere di visualizzare l’argomento prescelto eabbiamo inserito nello scritto dei link per collegarsi ad altre pagine e al “Glossario”.Oltre alla parte scritta, tipica di qualsiasi volume stampato, abbiamo utilizzato alcunistrumenti multimediali che sopperissero alla mancanza del contatto diretto con uninsegnante, come i video esplicativi supportati da spiegazioni sonore e le mappeautoesplicative delle varie schermate del programma.Tuttavia lo scambio di informazioni con degli esperti è garantito dalla presenza dei nostriindirizzi di posta elettronica e da quelli dei nostri docenti.Ogni insegnamento on-line dovrebbe poter essere consultato da persone diverse coninteressi diversi, quindi abbiamo compilato una serie di lezioni ed esercitazioni con differentilivelli di difficoltà e alcune pagine con diverso grado di approfondimento sul modelloQUAL2E, per accompagnare lo studente principiante in uno studio passo per passo efacilitare l’utente esperto che desideri scorrere solo alcune parti.

bliography” abbiamo reso possibile un’apertura verso le potenzialitàdel World Wide Web riportando una collezione di siti interessanti in materia ambientale e dididattica a distanza.Purtroppo, per scarsità di tempo, il nostro sito manca della sezione di autoverifica per gliutenti che avevamo deciso di realizzare tramite l’impiego di test a scelta multipla.

Cap.2: Il modello QUAL2E

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IL MODELLO QUAL2E

Questo capitolo ha lo scopo di illustrare in modo dettagliato le caratteristiche e lepotenzialità del modello QUAL2E (con l’ausilio del quale, abbiamo potuto svolgere lesimulazioni all’interno del corso).Dopo una breve panoramica sullo sviluppo storico di QUAL2E, nella prima parteparleremo delle capacità generali del modello, mentre nella seconda parte passeremo adillustrare dettagliatamente le equazioni su cui si basa, suddividendo la trattazione nelle treparti di cui un modello di qualità è composto.Nella terza parte del capitolo, prenderemo in considerazione la parte del modellodenominata QUAL2E-UNCAS, che consente lo sviluppo dell’analisi di incertezza.Infine nell’ultima parte del capitolo, daremo alcuni brevi cenni all’interfaccia graficasviluppata per il modello, rimandando, per maggiori dettagli, al Cap.4.

2.1 Sviluppo storico di QUAL2E

Il modello QUAL2E è ampiamente diffuso, negli Stati Uniti, per lo studio dell’allocazione discarichi inquinanti, per la determinazione dei limiti di concentrazione degli inquinanti e peraltre valutazioni convenzionali, in materia di inquinamento delle acque.Dalla prima introduzione di QUAL-II, negli anni Settanta, sono state sviluppate diverseversioni del modello: quella cui facciamo riferimento, in questo lavoro è denominata

for Windows, Ver.1.0” e si compone in realtà di due modelli, uno che svolge lesimulazioni di qualità e l’altro che consente di sviluppare l’analisi di incertezza. Tale versione

il National Council for Air and Stream Improvement, ilDipartimento di Ingegneria Civile della Tufts University e l’EPA Center for WaterQuality Modeling.


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Il modello venne sviluppato alla fine degli anni Sessanta, con il nome di QUAL-I, dallaTexas Water Developement Board. Nel 1971, l’EPA decise di modificare ed estendere ilmodello, con l’aiuto della Water Resource Engineers. Questa cooperazione portò allanascita di QUAL-II. Negli anni successivi, vennero sviluppate versioni differenti delmodello, per venire incontro ai bisogni di utenti specifici: ne è un esempio la versioneSEMCOG (Southeast Michigan Council of Governments), nata nel 1976 econtinuamente aggiornata.L’uso estensivo di QUAL-II/SEMCOG evidenziò una serie di difficoltà e la conseguentenecessità di apportare alcune correzioni.Questo nuovo avanzamento del modello venne denominato QUAL2E (Brown e Barnwell,1985).Il codice del modello QUAL2E è scritto in ANSI FORTRAN 77.Nel 1995, è stata sviluppata una ulteriore versione del modello, chiamata QUAL2E forWindows, che è dotata di una interfaccia grafica avente lo scopo di guidare l’utente menoesperto alla compilazione dei file di input.

Nel descrivere le potenzialità e la struttura del modello, faremo riferimento al contenuto didue manuali:

1. “The Enhanced Stream Water Quality Models QUAL2E and QUAL2-UNCAS:Documentation and User Manual” (Brown and Barnwell, 1987)

2. QUAL2E Windows Interface User’s Guide (EPA, 1995)

Il primo dei due contiene la documentazione più recente circa le caratteristiche del modelloe i meccanismi teorici su cui esso si fonda. Il secondo descrive dettagliatamente l’interfacciagrafica sviluppata per il modello.Entrambi i manuali sono scaricabili dalla sezione Download del sito che abbiamo realizzato,oltre che dal sito dell’EPA (http://www.epa.gov/QUAL2E_WINDOWS/index.html).

2.2 Cenni sulle potenzialità del modello

QUAL2E è un modello di qualità delle acque utilizzabile per corsi d’acqua inquinati chesiano ben miscelati. Come strumento di pianificazione, esso può essere impiegato perstudiare l’impatto di scarichi inquinanti lungo i fiumi, oppure per verificare l’effetto dicambiamenti meteorologici sui parametri di qualità, oppure, ancora, per esaminare levariazioni di ossigeno disciolto dovute alla crescita e alla respirazione delle alghe.

Il modello presuppone che i principali meccanismi di trasporto, avvezione e dispersionesiano significativi solo lungo l’asse longitudinale del flusso e può simulare il comportamentodelle componenti idrologiche e di qualità di canali (o reti di canali di qualsiasi complessità)


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caratterizzati da più scarichi inquinanti, perdite, prelievi ed immissioni di portata. E’ inoltrepossibile calcolare la portata di diluizione richiesta per raggiungere un determinato livello diossigeno disciolto.Per quanto riguarda le condizioni idrauliche, la simulazione è limitata a periodi di tempodurante i quali il flusso e gli scarichi siano pressoché costanti.

2.2.1 Costituenti simulati e schematizzazione del sistema

QUAL2E può simulare fino a 15 costituenti di qualità, in qualsiasi combinazione definita

I costituenti simulati sono i seguenti:

•• DO (Ossigeno Disciolto)

•• BOD (Domanda Biochimica di Ossigeno)

•• Temperatura

•• Alghe (come clorofilla A)

•• Batteri coliformi

•• Un costituente non conservativo

•• Tre costituenti conservativi

•• Ciclo dell’azoto

•• Ciclo del fosforo

Il sistema fluviale viene suddiviso in bracci (elementi del sistema aventi caratteristicheidrauliche uniformi) e ciascun braccio è a sua volta diviso in un numero intero di elementicomputazionali, tutti di uguale lunghezza.Esistono sette diversi tipi di elementi computazionali: elementi di sorgente (i primi elementidel fiume e di ogni suo affluente), elementi standard, elementi che precedono unaconnessione, elementi di connessione (in cui sfociano gli affluenti simulati), elementi finali(uno per ogni sistema fluviale), elementi di input (scarichi inquinanti e affluenti non simulati)ed elementi di prelievo.Per ogni elemento computazionale, il modello esegue un bilancio idrologico in termini diportata (m3/s), un bilancio di massa in termini di concentrazione (mg/l) e un bilancio dicalore in termini di temperatura (°C).Il bilancio idrologico viene svolto in condizioni stazionarie.Il bilancio di massa viene svolto per ogni costituente simulato e prende in considerazione glieffetti di avvezione, dispersione e diluizione, oltre alle reazioni e alle interazioni tra icostituenti simulati.La simulazione della temperatura avviene tramite un bilancio di calore all’interfaccia aria-acqua e richiede perciò i valori della temperatura dell’aria di bulbo secco e umido, i valoridi pressione atmosferica, di copertura nuvolosa e di velocità del vento ed infine, i datigeografici relativi al bacino.


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Le equazioni che rappresentano le reazioni chimiche e biochimiche che avvengononell’ecosistema fluviale contengono numerosi parametri, alcuni costanti, altri variabili nellospazio e altri ancora dipendenti dalla temperatura. Sebbene il manuale EPA del modelloriporti i valori tipici di tali parametri (utilizzabili come valori di default), la scelta del valoreopportuno dovrebbe nascere da una operazione di calibrazione del modello stesso.Questa operazione è piuttosto complessa ed esula dagli obiettivi del nostro lavoro; perquesto abbiamo tentato di ricercare in letteratura i valori dei parametri utilizzati in studi dicaso reali, in modo da potervi ricorrere, qualora il bacino in esame abbia caratteristichesimili a quello cui si riferiscono i parametri.

2.2.2 Funzionamento statico e dinamico

QUAL2E può funzionare sia in modo statico che in modo dinamico.Nel funzionamento statico, il modello permette di studiare l’effetto di scarichi inquinanti sullaqualità di un fiume, consentendo ad esempio di sceglierne la localizzazione meno dannosa.

valori diversi per ogni braccio (variabilità spaziale).Nel funzionamento dinamico, invece, il modello permette di osservare gli effetti dicambiamenti meteorologici diurni sulla qualità delle acque (in particolare su DO etemperatura). In questo caso, l’utente dovrà fornire dati climatologici uniformi sull’interobacino, ad intervalli di tempo regolari (tipicamente, ogni tre ore) lungo tutto il corso dellasimulazione (variabilità temporale).

E’ inoltre possibile svolgere un’analisi di incertezza sulle simulazioni stazionarie, utilizzandouna delle seguenti tecniche:

•• Analisi di sensitività;

•• Analisi dell’errore di primo ordine;

•• Simulazione Monte Carlo.

Questa opzione, dovuta a QUAL2E-UNCAS, permette di quantificare il rischio che unavariabile di qualità superi o meno un certo livello di soglia.

2.2.3 Funzioni forzanti

Le funzioni forzanti sono tutti gli input specificati dall’utente che portano alla modellizzazionedel sistema. In particolare, esse vengono specificate in termini di flusso, caratteristiche diqualità e caratteristiche climatologiche locali.QUAL2E fornisce quattro tipi di funzioni forzanti:

1. Sorgenti: tali ingressi sono in genere le condizioni al contorno di monte e sono lecondizioni richieste per generare la soluzione del bilancio di massa, per il primo


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elemento computazionale di ogni elemento di sorgente. Avremo un elemento disorgente per l’asta principale e uno per ogni affluente simulato della rete.

2. Scarichi puntuali/prelievi: tali ingressi vengono utilizzati per rappresentare scarichipuntuali nel sistema (come ad esempio, scarichi civili ed industriali) e perdite nel sistemadovute alla presenza di traverse. Gli scarichi possono essere sia trattati che non trattati.Nel caso di scarichi non trattati, è possibile simulare l’effetto del trattamento, definendouna percentuale di rimozione del BOD originato da sostanze carbonacee, per ogni tipodi scarico.

3. Afflussi aggiuntivi: rappresentano il flusso in ingresso (oppure in uscita) al sistema,uniformemente distribuito lungo un generico braccio: l’incremento totale di flusso vienesuddiviso equamente tra tutti gli elementi computazionali di quel braccio. Questacaratteristica può essere usata per simulare gli effetti di carichi distribuiti oppure diperdite sotterranee.

4. Concentrazione di valle: QUAL2E fornisce la possibilità di inserire nella simulazione laconcentrazione al contorno di valle, se nota, dei costituenti di qualità. Questa opzione èmolto utile per modellizzare quei sistemi caratterizzati da una elevata dispersione neibracci di valle (ad esempio, gli estuari).

2.3 Il sottomodello idraulico

Il modello QUAL2E assume che il regime idraulico sia stazionario (ovvero, che lavariazione della portata sia indipendente dal tempo). Per ogni elemento computazionale i,l’equazione di bilancio idraulico utilizzata è del tipo:

( )ixi

QxQ =

∂∂

(2.1)

dove Q è il deflusso e x è la coordinata spaziale che misura la distanza lungo l’asta fluviale.Questa equazione di bilancio indica che la variazione di portata nello spazio per l’i-esimoelemento computazionale è pari all’afflusso dall’esterno (o al prelievo).

(2.1) per Q, le altre caratteristiche idrauliche dei segmentipossono essere determinate attraverso equazioni che fanno dipendere tali caratteristicheidrauliche dalla portata dell’alveo Q attraverso delle costanti empiriche (α, β, a, b, nelleformule che seguono), che vengono di solito ricavate dalla scala delle portate.Riportiamo per completezza tali equazioni, rimandando, per un maggior dettaglio, almanuale del programma.


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Velocità media della corrente: baQu =

Sezione trasversale dell’alveo: uQ

Ax =

Profondità dell’alveo: βαQd =

Se sono note le caratteristiche della sezione trasversale dell’alveo in funzione dellad, la velocità media della corrente u può essere ottenuta come una funzione del

deflusso, passando attraverso la soluzione dell’equazione di Manning:

21486.1

exx SRAn

Q = (2.2)

dove Rx è il raggio idraulico della sezione, n è il coefficiente di scabrezza di Manning(tabulato) e Se è la pendenza della curva dei carichi totali.

(2.2), nota Q, si ricava la velocità media come rapporto tra la portata el’area della sezione trasversale.

2.4 Il sottomodello biochimico

Il primo passo per modellizzare il sistema è la suddivisione del fiume in bracci, ovvero intratti aventi caratteristiche idrauliche uniformi. I bracci, a loro volta, vengono suddivisi in unnumero intero di elementi computazionali, tutti di uguale lunghezza. Elementi computazionaliche fanno parte di uno stesso braccio hanno necessariamente le stesse caratteristicheidrauliche e gli stessi coefficienti nelle reazioni biologiche.Quindi, il fiume viene concettualizzato come una serie di reattori completamente miscelati(gli elementi computazionali), legati in modo sequenziale uno all’altro grazie ai meccanismidi trasporto e dispersione.

L’equazione fondamentale di QUAL2E è l’equazione monodimensionale del trasporto dimassa, che viene integrata numericamente nel tempo e nello spazio, per ogni costituente chesi desidera simulare.Detti t il tempo, x la coordinata spaziale,u la velocità media del fluido nella sezionetrasversale di area Ax e DL il coefficiente di dispersione longitudinale, l’equazione è laseguente:

( ) ( )Vs

dtdC

xACuA

xAxCDA

tC

x

x

x

Lx ++∂

∂−

∂∂∂∂

=∂∂

(2.3)

dove il termine s rappresenta le fonti esterne o i prelievi e il termine V rappresenta il volumeincrementale (ed è pari a Axdx).Tutte le grandezze che compaiono nella (2.3) sono variabili nel tempo e nello spazio.Il primo termine rappresenta la componente dispersiva del trasporto (legata alla variazionespaziale della velocità media), mentre il secondo rappresenta la componente di avvezione.


25

Il termine dtdC tiene conto delle variazioni nella concentrazione dei costituenti dovute adesempio alla crescita e al decadimento degli organismi presenti nell’ecosistema fluviale(respirazione algale e fotosintesi, nascita e morte di coliformi).Infine, il termine s/V tiene conto della diluizione dovuta a fonti esterne e prelievi.

Coefficiente di dispersione longitudinaleNumerose formule sono state proposte in letteratura per la valutazione del coefficiente didispersione longitudinale DL.All’interno di QUAL2E, esso può essere calcolato tramite le formule sperimentali di Taylore di Elder.L’equazione di Taylor è stata ricavata per condotte lunghe e rettilinee e la sua applicazionead un fiume introduce una approssimazione, perché geometria e distribuzione delle velocitàin un alveo naturale sono molto diverse da quelle che si hanno in un canale artificiale.L’equazione di Elder, invece, è valida per canali non molto larghi e per correntimonodimensionali. Essa semplifica il fenomeno della dispersione, ipotizzando che solo ilgradiente verticale di velocità sia importante.Per maggiori dettagli su entrambe le equazioni, si rimanda al manuale.

La capacità autodepurativa di un fiume si esplica nella capacità da parte del fiume stesso dimantenere una adeguata concentrazione di ossigeno disciolto.Nel calcolo del bilancio di ossigeno, il modello considera numerosi fattori che possonoinfluenzare la concentrazione di ossigeno disciolto e in particolare, le principali interazionidel ciclo dei nutrienti (fosforo ed azoto), la produzione algale, la domanda bentonica diossigeno, il consumo di monossido di carbonio e l’areazione atmosferica.Passiamo ora ad esaminare le equazioni che stanno alla base della modellizzazione di ognicostituente simulato dal modello.

2.4.1 Clorofilla A

La clorofilla A viene assunta quale indicatore della biomassa algale presente nel sistema, inquanto si ipotizza che essa sia proporzionale alla biomassa fitoplanctonica secondol’equazione:

AChla 0α= (2.4)

dove Chla è la concentrazione di clorofilla, A è la concentrazione di biomassa algale e α0 èun fattore di conversione.L’equazione differenziale che governa la dinamica della crescita coerentemente con questa relazione:

Ad

AAdtdA 1σ

ρµ −−= (2.5)

dove ρ è il tasso di respirazione algale, utilizzato per approssimare una serie di processilegati al ciclo di vita delle alghe e σ1 è il tasso di colonizzazione delle alghe, funzione della


26

temperatura. Il parametro µ rappresenta, invece, il tasso specifico di crescita delle alghe edipende dalla disponibilità di nutrienti e di luce, oltre che dalla temperatura. I tassi dicrescita e morte delle alghe dipendono dalla temperatura. Essi vengono regolatiautomaticamente all’interno del modello, così come tutte le altre variabili che sono funzionedella temperatura.

Esistono tre formulazioni diverse, all’interno del modello, per il parametro µ, che tengonoconto dell’azione limitante di luce e nutrienti. Detti FL, FN e FP i fattori limitantirispettivamente per luce , azoto e fosforo, le espressioni sono le seguenti:

( )( )( )FPFNFLmaxµµ = (2.6a)

( ) ( )FPFNMinFL ,maxµµ = (2.6b)

( ) ( ) ( )

+

=FPFN

FL11

2maxµµ (2.6c)

dove µmax è il tasso di crescita massimo delle alghe.Nel seguito, daremo una breve descrizione dei fattori limitanti che compaiono nelleformulazioni di µ.

Legame luce-algheIl legame tra fotosintesi e luce mostra un tasso di crescita dell’attività fotosintetica,all’aumentare dell’intensità della luce, fino ad un valore di saturazione.QUAL2E consente le seguenti opzioni per la rappresentazione della luce come fattorelimitante nel tasso di crescita algale:

Funzione di semi-saturazione

zL

zz IK

IFL

+= (2.7a)

KL = semi-saturazione per la luce.

Funzione di Smith

( ) 21

22zL

zz

IK

IFL

+= (2.7b)

KL = intensità della luce corrispondente al 71% del massimo tasso di crescita.

Funzione di Steel

−

=

L

z

L

zz K

IKI

FL 1exp (2.7c)

KL = intensità di saturazione della luce, alla quale il tasso di crescita


27

Iz è l’intensità della luce, che varia con la profondità, secondo la legge di Beer:( )zII z λ−= exp (2.8)

Il coefficiente di estinzione della luce, λ, è legato alla torbidità dell’acqua la quale, a suavolta, dipende dalla concentrazione dei solidi sospesi e dalla popolazione algale stessa.Quest’ultimo effetto, noto come auto-ombreggiamento, può ridurre notevolmente laquantità di luce, durante le fioriture algali. Il modello ipotizza una dipendenza lineare di λdalla concentrazione algale:

( ) 3202010 AA αλαλλλ ++= (2.9)

dove λ0 è il valore di base di λ in assenza di alghe e λ1 e λ2 sono i coefficienti di auto-ombreggiamento lineare e non lineare.

Relazione alghe-nutrientiI nutrienti presi in considerazione all’interno del modello sono i composti dell’azoto e delfosforo. La presenza di tali nutrienti in acqua è molto importante perché nel caso in cui laloro concentrazione sia troppo elevata, essi sono in grado di inibire la crescita delle alghe.Detti Ne e P2 le concentrazione rispettivamente di azoto inorganico e di fosfoto disciolto, leequazioni di cui il modello fa uso sono le seguenti:

Ne

e

kNN

FN+

= (2.10)

(Si assume che le alghe usino ammoniaca o nitrato come fonti di azoto inorganico)

pkPP

FP+

=2

2 (2.11)

dove kn e kp sono le costanti di semi-saturazione per l’azoto e per il fosforo.Se si sceglie di simulare la concentrazione delle alghe e di non simulare il ciclo del fosforo(o il ciclo dell’azoto), il modello assume automaticamente che il costituente non simulatonon sia limitante.

2.4.2 Ciclo dell’azoto

In acque naturali aerobiche, esiste una progressiva trasformazione da azoto organico (N)ad azoto ammoniacale (NH3), ad azoto nitrico (NO2), fino ad azoto nitroso (NO3).Il ciclo dell’azoto simulato in QUAL2E contiene tutte e quattro queste componenti.

N4 è descritta dalla seguente equazione:

444314 NNA

dtdN

σβρα −−= (2.12a)

dove α1 è la frazione di azoto presente nella biomassa algale, mentre ρ è il tasso direspirazione algale. Quindi, il primo termine della (2.12a) rappresenta il contributo dellabiomassa algale all’aumento di azoto organico. Gli altri due termini rappresentanorispettivamente la diminuzione dovuta alla trasformazione da azoto organico ad azotoammoniacale (essendo β3 il tasso di idrolisi da N a NH3) e quella dovuta alla


28

sedimentazione dell’azoto (essendo σ4 il tasso di sedimentazione dell’azoto, dipendentedalla temperatura).La dinamica della concentrazione di azoto ammoniacale N1 viene descritta dalla seguenteequazione:

AFd

NNdt

dNµα

σββ 1

31143

1 −+−= (2.12b)

dove σ3 è la frazione di azoto ammoniacale proveniente da fonte bentonica e β1 il tasso diossidazione biologica dell’azoto ammoniacale.Secondo l’equazione (2.12b), l’azoto ammoniacale aumenta per il fenomeno dell’idrolisi,(vedi anche l’equazione (2.12a)) e per il contributo dovuto alle fonti bentoniche (σ3/d).Inoltre, N1 diminuisce per ossidazione biologica (β1N1) e a causa del prelievo da partedelle alghe (Fα1µA, dove F rappresenta la frazione di azoto algale prelevata dall’accumulodi ammoniaca).La dinamica dell’azoto nitrico N2 è data da:

22112 NN

dtdN

ββ −= (2.12c)

dove β2 è il tasso di ossidazione di NO2, dipendente dalla temperatura.L’equazione (2.12c) mostra che N2 aumenta a causa dell’ossidazione biologica dell’azotoammoniacale (β1N1) e diminuisce a causa dell’ossidazione ad azoto nitroso (β2N2).Infine, la variazione di azoto nitroso N3 nel tempo è data da:

( ) AFNdt

dNµαβ 122

3 1−−= (2.12d)

Esso aumenta a causa dell’ossidazione dell’azoto nitrico (β2N2) e diminuisce a causa delprelievo dovuto alle alghe.

QUAL2E è in grado di modellizzare anche il fenomeno di inibizione che ha luogo inpresenza di valori bassi di DO. A questo scopo, introduce un fattore di conversione deltasso di nitrificazione (0÷1) che viene applicato ai coefficienti β1 e β2.

2.4.3 Ciclo del fosforo

Il fosforo viene generato dalla morte delle alghe che, passando nello stato inorganicodisciolto, contribuiscono nuovamente alla crescita primaria delle alghe stesse.Il ciclo del fosforo contenuto in QUAL2E coinvolge sia la forma organica (P1) che quelladisciolta (P2) di tale elemento.La dinamica di tali composti è descritta dalle seguenti equazioni:

151421 PPA

dtdP

σβρα −−= (2.13a)

Ad

PdtdP

µασ

β 22

142 −+= (2.13b)


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in cui α2 rappresenta il contenuto in fosforo delle alghe, β4 il tasso di decadimento delfosforo organico, σ5 il tasso di sedimentazione del fosforo organico, α2 la frazione difosforo nelle alghe e σ2 il tasso di consumo bentonico di fosforo disciolto.

2.4.4 BOD carbonaceoIl modello descrive il processo di deossigenazione del BOD ultimo (consumato in untempo teoricamente infinito) attraverso una relazione del primo ordine. Tale relazione tieneconto anche della rimozione legata alla sedimentazione. Detta L la concentrazione di BODcarbonaceo, si ha:

LkLkdtdL

31 −−= (2.14)

I parametri k1 e k3 dipendono entrambi dal tempo e rappresentano rispettivamente ifenomeni di deossigenazione e di sedimentazione.Nel caso generale, QUAL2E simula il BOD ultimo, ma è comunque possibile scegliere diconsiderare il BOD5 (consumato in cinque giorni) e l’equazione utilizzata per la conversione

( )( )BODu KBODBOD 5exp0.15 −= (2.15)

dove KBOD è il coefficiente di conversione, che può essere specificato dall’utente e cheviene automaticamente applicato a tutti gli ingressi presenti nel sistema.

2.4.5 Ossigeno Disciolto

Abbiamo già accennato come il bilancio di ossigeno in un sistema fluviale dipenda dallacapacità di autodepurazione del fiume stesso. Tale capacità dipende principalmente daiprocessi di avvezione e diffusione, oltre che dalle fonti interne di ossigeno e dai prelievi.Le principali fonti di ossigeno, oltre alla reareazione atmosferica, sono i processifotosintetici e l’ossigeno contenuto negli afflussi al corpo idrico.I principali prelievi di ossigeno includono l’ossidazione biochimica di materia organica (diorigine carbonica e azotata), la domanda bentonica di ossigeno e l’ossigeno utilizzato dallealghe per respirare.Per tener conto di questi termini, QUAL2E utilizza la seguente equazione per il calcolodella concentrazione O dell’ossigeno disciolto:

( ) ( ) 2261154

1432 NNdk

LkAOOkdtdO βαβαραµα −−−−−+−= ∗ (2.16)

dove α3 è la frazione di ossigeno prodotto per fotosintesi, α4 è quella prelevata per larespirazione algale, α5 e α6 sono le frazioni di ossigeno prelevate rispettivamente per unitàdi azoto ammoniacale e per unità di nitrito ossidati, k2 è il tasso di reareazione, k4 è lafrazione di ossigeno richiesto dai sedimenti, β1 e β2 sono i coefficienti di ossidazionedell’azoto ammoniacale e del nitrito.O* è la concentrazione di saturazione dell’ossigeno, che oltre a diminuire all’aumentare ditemperatura e solidi sospesi, diminuisce anche al diminuire della pressione atmosferica. Per


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questo motivo, essa viene calcolata internamente al modello, utilizzando due diverseespressioni, a seconda che le condizioni di pressione siano standard (1 atm) oppure no.

Stima del coefficiente di reareazione atmosferica k2

Il coefficiente di reareazione k2 molto spesso viene espresso in funzione della profondità delfiume e della velocità. All’interno del modello, non esistono valori di default per k2, ma sonopresenti otto diverse opzioni che consentono di stimarlo. L’utente può utilizzare:

1. Il valore di k2 precedentemente selezionato dal modellista;

2. L’equazione di Churchill, Elmore & Buckingam, valida per T=20°C e stimata conmisure di reareazione;

3. L’equazione di O’Connor & Dobbins, basata sulle caratteristiche di turbolenza delfiume e valida per fiumi con velocità di scorrimento basse e condizioni isotrope;

4. L’equazione di Owens et al., basata sul monitoraggio di sei fiumi inglesi e valida percorsi d’acqua veloci e poco profondi;

5. L’equazione di Thackston & Krenkel, ricavata per fiumi localizzati nella TennesseeValley;

6. L’equazione di Langbien & Durum;

7. Un valore di k2 proporzionale ad una potenza della portata;

8. L’equazione di Tsivoglou & Wallace, che pone k2 proporzionale alla variazione dialtezza della superficie dello specchio liquido e inversamente proporzionale al tempo discorrimento.

Nei periodi di magra invernale, la copertura gelata può far diminuire significativamente lareareazione, perché provoca una riduzione dell’interfaccia aria-acqua e quindi delloscambio di ossigeno. E’ necessario stimare l’entità di tale copertura, moltiplicare k2 per unfattore correttivo che ne tenga conto e inserire il valore così ottenuto nell’opzione 1.

Reareazione negli sbarramenti fluvialiQUAL2E consente di modellizzare gli apporti di ossigeno al sistema provenienti dallareareazione sopra elementi quali sbarramenti, traverse e dighe. Indicati con Da e Db i deficitdi ossigeno rispettivamente sopra e sotto lo sbarramento e con H l’altezza di cadutadell’acqua, si ha (Butts & Evans):

( )( ) aDD

ba DTHHba

DD

+−+

−=−46.01034.01116.01

11 (2.17)


31

dove aD e bD sono le costanti empiriche di qualità dell’acqua e di areazione dellosbarramento (Brown e Barnwell, 1995).

2.4.6 Batteri coliformi

I coliformi vengono usati come indicatori di contaminazione patogena nelle acquesuperficiali. La concentrazione di coliformi, in genere, viene stimata utilizzando funzioni didecadimento del primo ordine, che considerano solo il termine di mortalità. Detta E laconcentrazione dei batteri coliformi, si ha:

5kdtdE −= (2.18)

dove k5 rappresenta il tasso di mortalità dei coliformi, funzione della temperatura.

2.4.7 Generico costituente non conservativo

Il generico costituente non conservativo viene modellizzato tramite un meccanismo didecadimento del primo ordine, che tiene anche conto di fonti esterne e di prelievi. Indicatacon R la concentrazione del generico costituente non conservativo, la dinamica di taleprocesso viene rappresentata da:

dRRk

dtdR 7

66

σσ +−−= (2.19)

dove k6 indica il tasso di decadimento del costituente, σ6 è il coefficiente di sedimentazionedel costituente e σ7 è la fonte bentonica per il costituente. Tutti e tre i parametri dipendonodalla temperatura.

2.4.8 La dipendenza dalla temperatura

Alcuni dei processi descritti sono influenzati dalla temperatura. Questa dipendenza vieneintrodotta assumendo un legame tra il valore di alcuni parametri e la temperatura, espressodalla formula di Arrhenius.Indicando XT il valore del generico coefficiente alla temperatura reale e con X20 il valoredello stesso coefficiente alla temperatura di 20°C, l’equazione utilizzata è:

( )2020

−= TT XX ϑ (2.20)

dove ϑ è una costante empirica caratteristica del processo considerato.La (2.20).viene utilizzata per descrivere la dipendenza dalla temperatura di tutti i parametriβi σi e k i che compaiono nelle formule precedenti.

2.5 Sottomodello termico

La modellizzazione della temperatura consiste in un bilancio di calore per ogni elementocomputazionale del sistema.


32

Il bilancio di calore considera tanto gli apporti e le perdite, derivanti dalla definizione dellefunzioni forzanti (si veda il Par.2.1.3), quanto gli scambi di calore tra la superficie liquida el’atmosfera.Per consentire al modello di eseguire il bilancio di calore, l’utente deve fornire una certaquantità di dati, tra cui la latitudine e la longitudine del bacino, il coefficiente dievaporazione, il coefficiente di attenuazione della polvere(1) e tutta una serie di daticlimatologici locali.Come già detto nel Par.2.1.2, nel funzionamento dinamico del modello, i dati climatologicilocali devono essere forniti ad intervalli regolari (in genere, ogni tre ore), in modo daaggiornare gli apporti e le perdite di calore e in modo da simulare l’influenza del sistemaidraulico stazionario sulle variazioni di temperatura. Al contrario, nel funzionamento statico,l’utente deve fornire valori medi dei dati climatologici locali.

L’equazione che sta alla base del bilancio termico è formalmente identica a quella giàdescritta per il bilancio di massa (si veda l’equazione (2.3)), pur di sostituire il termine C(che prima rappresentava la concentrazione del generico inquinante) con la“concentrazione” di calore:

( )0TTcC −= ρ (2.21)

dove ρ è la densità dell’acqua, c è il suo calore specifico, T è la temperatura dell’acqua eT0 è la temperatura di riferimento. Nei casi pratici, ρ e c possono essere consideraticostanti.Il termine dC/dt rappresenta, in questo caso, il calore proveniente dalla dissipazionedell’energia viscosa e dall’attrito al contorno e in genere è abbastanza piccolo da poteressere trascurato (dC/dt=0).Sostituendo nell’equazione (2.3) l’espressione della “concentrazione” di calore, l’equazionedel bilancio di calore (espressa in funzione della temperatura T) diventa:

( ) ( )Vs

cxATuA

xAxTDA

tT

x

x

x

Lx

ρ1+

∂∂

−∂

∂∂∂=

∂∂

(2.22)

Il termine di sorgente, (s/V), tiene conto di tutti i trasferimenti di calore attraverso i contornidel sistema ed essendo lo scambio all’interfaccia sedimento-acqua trascurabile,rappresenta in pratica la percentuale netta di calore entrante, per unità di volume, attraverso

aria-acqua.Esprimendo tale percentuale in termini di flusso, la (2.22) diventa:

( ) ( )cd

H

xA

TuA

xA

xTDA

dt

T n

x

x

x

Lx

ρ+

∂

∂−

∂

∂∂∂=

∂(2.23)

dove Hn rappresenta appunto il flusso unitario di calore attraverso la superficie aria-acqua.


33

Il trasferimento di calore attraverso l’interfaccia aria-acqua avviene con tre diversi processi:lo scambio per radiazione, l’evaporazione e la conduzione. Tale fenomeno è rappresentatoin figura 2.1.(1)Tale coefficiente rappresenta la capacità della polvere contenuta nell’aria di attenuare il flusso di

radiazione solare e varia con la massa ottica dell’aria, con la stagione e con la posizione geografica(Brown e Barnwell, 1995).

aria-acqua

Nella figura, Hs rappresenta il flusso totale di radiazione solare che impatta la superficiearia-acqua mentre Hsn è il flusso netto di radiazione solare che passa attraversol’interfaccia, dopo le perdite dovute ad assorbimento e dispersione nell’atmosfera e alla

Hsr).Analogamente, Han rappresenta il flusso netto di radiazione atmosferica che passaattraverso l’interfaccia, dopo la riflessione.Il termine Hb rappresenta il flusso uscente di radiazione di onda lunga, mentre Hc è il flussodi conduzione interfaccia-atmosfera. Infine, He costituisce il termine di energia persa perevaporazione.Il termine Hn di cui all’equazione (2.22) sarà dato da:

( )ecbansnn HHHHHH +±−+= (2.24)

Per quanto riguarda le equazioni usate dal modello per calcolare i vari termini diquest’ultima equazione, rimandiamo all’appendice.

Tutte le variabili necessarie alla simulazione della temperatura vengono definite braccio perbraccio. Questo è molto utile, ad esempio, in bacini caratterizzati da una altitudine moltovariabile. Il modello fornisce in uscita un sommario dettagliato riguardante la temperatura eil bilancio di calore


34

2.6 Analisi di incertezza

QUAL2E-UNCAS permette l’utilizzo di tre tecniche per sviluppare l’analisi di incertezza:

1. L’analisi di sensitività;

2. L’analisi dell’errore di primo ordine;

3. La simulazione Monte Carlo.

Essendo basate su ipotesi differenti, queste opzioni potrebbero portare a risultati diversi,dovuti essenzialmente all’approssimazione di primo ordine oppure all’errore nel calcolodella varianza.La simulazione Monte Carlo ha il vantaggio di fornire come output le distribuzioni difrequenza, ma comporta un grande onere computazionale.La propagazione dell’errore di primo ordine produce la stima diretta della sensitività delmodello, ma questa variabilità è di solito più indicativa delle varianze delle componenti delmodello che delle dinamiche della struttura del modello stesso.

Gli algoritmi di pre e post-processamento usati per l’analisi di incertezza sono applicabili amolti altri modelli di qualità dell’acqua.Il pre-processore consente all’utente di selezionare le variabili e i parametri da modificare,senza dover reinserire l’intero set di input, esso svolge automaticamente questa funzione pertutte le condizioni di incertezza che si desiderano simulare.Il post-processore registra e manipola solo gli output di interesse: l’utente deve soloselezionare le variabili e i punti del bacino schematizzato dove desidera simulare gli effettidell’incertezza.

2.6.1 Analisi di sensitività

Normalmente. l’analisi di sensitività viene svolta modificando una variabile di input alla volta,ma variandone diverse contemporaneamente è possibile valutare gli effetti delle lorointerazioni sulle variabili di output, nonostante questo complichi l’interpretazione dei risultati.L’utente deve quindi scegliere le variabili da perturbare, singolarmente o in gruppo, e

Il risultato di ogni simulazione si sensitività viene fornito in formato tabulare e contiene icambiamenti (la sensitività) dei valori di ogni variabile di output (∆y)dovuti alle variazionidei valori di quelle di input (∆x).

2.6.2 Analisi dell’errore di primo ordine

L’analisi dell’errore di primo ordine utilizza l’approssimazione di primo ordine nel calcolodelle varianze. Si ipotizza che le variabili siano indipendenti (covarianze trascurabili) e che ilmodello sia lineare.


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Questa opzione fornisce due risultati. Il primo è una tabella contenente i coefficientinormalizzati di sensitività che rappresentano il cambiamento percentuale nelle variabili dioutput dovute ad una variazione dell’1% in ogni variabile di input. Detti Sij il coefficientenormalizzato di sensitività per l’output yj dovuto all’input x i, yj il valore iniziale della variabiledi output e x i il valore iniziale della variabile di input.

( )( )ii

jj

ij xx

yyS

∆

∆= (2.25)

dove ∆yj rappresenta la sensitività della variabile di output e ∆x i l’ampiezza della variazionedi input;Il secondo risultato è una lista delle componenti di varianza per ogni singola variabile dioutput, cioè le variazioni percentuali di output attribuibili ad ogni variabile di input, calcolatecome segue:

( ) ( )( )2varvar ∑ ∆∆=

iijij xyxy (2.26)

Le componenti di varianza dell’output (∆yj) sono quindi ottenuti da una somma pesata dellevarianze di input, secondo il quadrato della sensitività degli output del modello sugli input(∆yj/∆x i).Svolgendo più analisi dell’errore di primo ordine con diversi valori di x i, si ottiene unastima delle non linearità del modello; gli output che sono lineari in x i avranno coefficienti disensitività immutabili ai cambiamenti di ∆x i.Normalmente, questa opzione viene svolta modificando tutte le grandezze di input, maQUAL2E-UNCAS permette di restringerne l’applicazione ad uno specifico gruppo(variabili idrauliche, coefficienti di reazione, funzioni forzanti per carichi puntuali, ecc…).Occorre poi inserire l’ampiezza delle variazioni di input ∆x i, la varianza delle stesse variabili(x i) e i punti (al massimo cinque), all’interno del bacino, a cui applicare l’analisi dell’errore.Il valore di ∆x i è specificato dall’utente e viene applicato uniformemente a tutti gli ingressi.

2.6.3 Simulazione Monte Carlo

La simulazione Monte Carlo è un metodo per trattare numericamente un sistema complessocaratterizzato dalla presenza di componenti casuali. Le variabili di input vengono estratte acaso da distribuzioni di probabilità predefinite (con o senza correlazione) e la distribuzionedei valori di output viene analizzata statisticamente.Questa tecnica fornisce le statistiche riassuntive e le distribuzioni di frequenza delle variabiliconsiderate, in punti specifici del sistema. In particolare, le statistiche riassuntivecomprendono la media, l’errore, i valori minimo e massimo, la deviazione standard, ilcoefficiente di variazione e il coefficiente di asimmetria.Le distribuzioni di frequenza cumulata sono utili per valutare la dispersione totale nelleprevisioni del modello e la probabilità di superare un dato standard di qualità dell’acqua.Per la simulazione Monte Carlo, occorre specificare:


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•• la varianza delle variabili di input, var(x i);

•• la funzione di densità di probabilità delle variabili di input (Normale o LogNormale);

•• il numero di simulazioni da compiere, che deve essere, da una parte abbastanzaelevato, per evitare grossi errori nelle varianze stimate, dall’altra non troppo elevato,per contenere i tempi di calcolo.

QUAL2E-UNCAS ipotizza che tutti gli input abbiano un comportamento indipendente,quindi ogni variabile è estratta a caso, indipendentemente dalle altre. Come per l’analisidell’errore di primo ordine, l’utente può scegliere di svolgere la simulazione solo per ungruppo di variabili di input, e deve indicare i punti del bacino in cui tale simulazione deveessere svolta (al massimo cinque, come nel caso precedente).

2.6.4 Varianza delle variabili di input

Fondamentale requisito per svolgere l’analisi di incertezza è la conoscenza dellecaratteristiche di incertezza delle variabili di input del modello. Purtroppo, tale conoscenzanon è facilmente reperibile in letteratura.Il manuale del modello, tuttavia, riporta una tabella contenente un database con i valori diincertezza per variabili e parametri, causati da variazioni spaziali e temporali, errori dicampionamento, errori analitici e di misura.L’informazione circa questa incertezza viene fornita al modello per mezzo di un filechiamato INVAR.DAT, attraverso i valori delle varianze o le funzioni di densità diprobabilità , per ogni input.

2.6.5 Inserimento dati

Per svolgere l’analisi di incertezza, l’utente deve fornire due tipi di file:

•• INVAR.DAT, contenente le informazioni di incertezza per ogni variabile di input(ovvero il nome della variabile, il suo coefficiente di variazione e la sua funzione didensità di probabilità);

•• *****.DAT, contenente le informazioni sul tipo di opzione prescelta per svolgerel’analisi di incertezza.

Compilando le schermate relative a QUAL2E-UNCAS, il programma generaautomaticamente i due file necessari.

2.6.6 Limiti di QUAL2E-UNCAS

Quando l’utente specifica il nome della variabile da alterare e l’entità della variazione, tutti ivalori di quella variabile vengono modificati, sull’intero bacino.


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Questo significa che, scegliendo la variabile scarico puntuale, tutti gli scarichi puntualisubiranno la stessa variazione e non sarà possibile modificarne solo uno.Inoltre, per quanto riguarda l’analisi dell’errore di primo ordine, non è possibile applicarevariazioni diverse a diversi gruppi di variabili di input.Infine, le variabili di input il cui valore è zero (oppure quelle per cui non è stato inserito ildato) non vengono perturbate in nessuna simulazione di QUAL2E-UNCAS.

2.7 L’interfaccia Windows del modello

L'interfaccia Windows sviluppata per il modello QUAL2E è stata ideata per rendere menoproblematico, ad utenti non esperti, l'inserimento dei numerosi dati necessari alfunzionamento del programma. In questo modo, la compilazione dei file di input avvieneautomaticamente, inserendo i dati a disposizione nelle schermate che via via si presentano.Vengono anche forniti valori di default per le costanti, in modo da cominciare la simulazionecon dei valori plausibili.Tra le utili funzioni incluse nell'interfaccia utente, sono da segnalare:

•• opzioni per manipolare i dati;

•• grafici della struttura della rete;

•• capacità di rappresentare graficamente alcune delle componenti simulate.

2.7.1. File di input

Accedendo all'interfaccia utente, vi verrà assegnato di default un nuovo file(QAL2E###.INP) che conterrà, come già accennato, i valori di alcune costanti. Volendo inalternativa accedere ad un file già esistente, basterà selezionare l'opzione OPEN dal menùFILE e scegliere il file che si desidera dalla lista che apparirà.E’ molto importante tenere presente che:

•• l'interfaccia non consente di aprire più file contemporaneamente, quindi, aprendo unnuovo file, il contenuto delle schermate esistenti verrà sovrascritto;

•• i file di input devono essere salvati nella cartella in cui si trovano i file eseguibili(*.EXE) e si raccomanda di salvare tutti i file nella cartella QUAL2E;

•• i file vengono nominati seguendo una precisa convenzione: i primi 5 caratteriidentificano il nome della funzione, i tre che seguono sono numeri sequenziali cheindicano il numero del file di input che si sta generando e, infine, l'estensione indica iltipo di file.

I file di input generati dal modello sono i seguenti:

•• QAL2E###.INP: file di input, contenente tutti i dati richiesti per la simulazione;

•• QALGR###.INP: file grafico, contenente tutti i dati forniti per creare un particolaregrafico.


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I file di input che seguono, vengono creati automaticamente nel momento in cui si sceglie dieseguire la simulazione e si trovano nella cartella QUAL2E:

•• QAL2E###.RUN: file di input, sempre richiesto per effettuare una simulazione;

•• QAL2E###.DO: file contenente i valori osservati di ossigeno disciolto;

•• QAL2E###.CLI: file dei dati climatologici (necessario per la simulazione dinamica);

•• QAL2E###.UNS: file di input per l’analisi di incertezza;

•• QAL2E###VAR: file di input per lo studio della varianza.

Il file RUN viene generato dall’interfaccia Windows di QUAL2E prima dell’esecuzione delprogramma. E’ comunque possibile importare un file RUN già esistente, con l’avvertenza disalvare il file corrente prima di farlo (in caso contrario, quest’ultimo andrà perso).

Una volta creato il file di input, è necessario salvarlo, seguendo le convenzioni descrittesopra. Nel caso in cui si apra un file esistente per modificarne una parte, un sempliceSAVE modificherà l’intero file. Ricorrendo invece a SAVE AS, sarà possibile rinominare ilfile, conservando entrambe le versioni.Completata la creazione del file di input, è possibile far partire la simulazione: l’interfacciaWindows procede automaticamente alla validazione del file di input creato e, in caso dierrore, riporta l’utente al punto preciso in cui è necessario inserire la correzione.E’ anche possibile importare un file di input generato da un’altra simulazione, utilizzando

E’ importante far presente che, importando ad esempio un file con estensione DO, tutti idati relativi ai valori osservati di ossigeno disciolto verranno sostituiti con quelli contenuti nelfile importato.

2.7.2 Menù di scelta rapida

HELP: si tratta di un help “context-sensitive”. Infatti, posizionandosi su una delle finestre diuna qualsiasi schermata e premendo il tasto HELP, verrà visualizzata la voce della guidacorrispondente.

NEXT, BACK: consentono di muoversi attraverso le schermate del programma. Non sipuò passare alla schermata successiva se prima non si è compilata completamente e inmodo corretto quella corrente. In caso di errore, compare una finestra di messaggio cheimpedisce di procedere finché non si apportano le correzioni necessarie.Inoltre, a seconda delle scelte fatte nella fase iniziale, differenti schermate saranno attive.Se, ad esempio, non si è optato per l’analisi di incertezza, non sarà possibile accedere alleschermate dalla ventuno alla ventiquattro alla ventiquattro (per una descrizione delleschermate, si faccia riferimento al Cap.4, nel quale abbiamo descritto il contenuto dellemappe esplorabili generate sui diversi schermi).


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TOP: torna alla prima schermata, da qualsiasi altro punto.

INDEX: visualizza un indice di tutte le schermate del programma.

Figura 2.2: Indice compatto delle schermate contenute nel modelloQUAL2E.

Come mostrato in Fig.2.2, all’interno dell’indice, la schermata corrente è evidenziata in blue le schermate non compilabili sono in grigio.E’ possibile espandere l’indice, ottenendo l’elenco dettagliato dei campi da compilare, perogni schermata (tasto EXPAND in Fig.2.2). Il tasto CONTRACT permette di tornareall’indice compatto.Il tasto CANCEL permette di tornare alla schermata da cui si era partiti.


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RUN: sottopone il file di input al modello, per l’esecuzione. Ogni errore nella compilazionedel file di input viene segnalata attraverso una finestra di messaggio.

RESTORE: se si sta modificando una schermata di un file già esistente, questo tastopermette di ripristinare i valori di partenza senza doverli modificare uno alla volta. Se peròsi passa alla schermata successiva, le modifiche diventano permanenti.

GRAPHICS: permette di rappresentare graficamente i risultati della simulazione.I grafici possibili sono di tre tipi:

•• Portata - distanza;

•• Inquinante - distanza;

•• Schema della rete.

CALC: Attiva la calcolatrice di Windows

2.7.3 File di output

QUAL2E genera due tipi di file di output:

•• QAL2E###.OUT: file di output tabulato;

•• QAL2E###.DOU: risultati della simulazione in blocchi di dati

QUAL2E visualizza i file di output utilizzando l’editor WordPad di Windows, ma è anchepossibile impostare un qualsiasi altro editor esterno selezionando in menu UTILITIES el’opzione “Setup Output File ViewerDopo ogni esecuzione del modello, è possibile scegliere di visualizzare il file di output. E’importante sottolineare che l’unico modo possibile per visualizzare tale file da QUAL2E èfar girare il modello, perché non esiste alcun bottone o menu che consenta tale opzione.E’ comunque possibile aprire i file di output dall’esterno, utilizzando un editor di testo.

La procedura GRAPHICS ha lo scopo di rappresentare i risultati della simulazione inmodo più comprensibile.E’ possibile selezionare due tipi di grafici:

•• Schematizzazione dell’asta fluviale;

•• Portata-distanza oppure concentrazione di inquinante-distanza

La procedura può tracciare l’andamento di tre inquinanti su uno stesso grafico.Inoltre, è possibile visualizzare fino a quattro grafici alla volta, scegliendo ogni volta unnuovo nome per il file di output grafico.Una limitazione della procedura è l’impossibilità di rappresentare, su uno stesso grafico, ivalori osservati e quelli stimati per l’ossigeno disciolto.

Cap.3: Architettura del sito

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3

ARCHITETTURA DEL SITO

Questo capitolo ha lo scopo di descrivere in modo dettagliato la struttura del sito web. Inparticolare, esporremo i contenuti delle diverse sezioni presenti, dalla parte riguardante lanormativa, la modellistica delle acque e il programma QUAL2E alle unità contenenti i casiapplicativi, i parametri, il glossario, la web bliography e naturalmente la home page.Inoltre descriveremo l’organizzazione delle varie pagine e i loro collegamenti avvalendocidel diagramma ad albero presentato nel primo paragrafo.

3.1 Struttura del sito webRappresentiamo la struttura del sito con un diagramma ad albero che permette dicomprendere la suddivisione gerarchica dei diversi argomenti trattati, e mostra le sezioniaccessibili dalla home page (fig.3.1).


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Figura 3.1: Diagramma ad albero del sito web

Come si nota dalla figura, è possibile, a partire dalla prima pagina del sito, collegarsi adogni altra sezione ricorrendo all’uso dell’apposita barra di navigazione posta sempre nellaporzione superiore dello schermo.


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Allo stesso modo, poiché il medesimo menù è presente in ogni pagina, è consentito passareda un argomento ad uno differente; ad esclusione dell’unità “dalla home page.Le sezioni che compongono il sito sono otto e nella barra di navigazione si susseguono conil seguente ordine:

1. Legislazione;

2. Modellistica inerente l’acqua;

3. QUAL2E;

4. Applicazioni;

5. Parametri;

6. Glossario;

7. Download;

8. Web bliography.

Ogni sezione, tranne “Parametri”, ”Glossario”, e “Download” è suddivisa in ulteriori unitàcollegate tra loro da link interni in modo da permettere una lettura sequenziale o dimuoversi liberamente nelle pagine prescelte.Sia gli indici che la barra di navigazione hanno quindi lo scopo di permettere a ciascuno discegliere il proprio percorso.Alcuni termini presenti nel testo, in ogni pagina del sito, sono collegati al “Glossario” che,visualizzato entro finestre indipendenti per non rendere dispersiva la navigazione, ne dà ichiarimenti del caso.Inoltre, allo stesso modo, dai casi applicativi è possibile collegarsi alle sezioni più generali diapprofondimenti inerenti la modellistica delle acque e il modello QUAL2E.I diversi utenti potranno dunque scegliere quali sezioni consultare: solo quelle interessateper i più esperti, le pagine di inquadramento, sulla didattica di QUAL2E , diapprofondimento generale e infine gli esercizi per gli apprendisti.Nei paragrafi successivi presentiamo una descrizione accurata di ogni argomento trattatonel sito web.

3.2 Home page

Collegandosi alla home page, la prima pagina del sito, si trova una presentazione del corsoin esso contenuto; l’elemento più evidente infatti è proprio il titolo:” Corso multimedialesulla qualità delle acque: il modello QUAL2E”.Per facilitare la navigazione, abbiamo inserito, nella porzione superiore dello schermo, unmenù a tendina contenente le diverse componenti del sito; muovendo il mouse sopra diesso è possibile fare apparire gli argomenti trattati in ogni sezione ed accedervi.


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Sono inoltre presenti gli stemmi del Politecnico di Milano e dell’Università degli Studi diParma, con la collaborazione dei quali è stato svolto il lavoro, e gli indirizzi di postaelettronica a cui rivolgere eventuali quesiti.Nella parte centrale della pagina abbiamo utilizzato, per introdurre i contenuti di ognisezione, un cosiddetto roll over image, il cui funzionamento viene spiegato nel quartocapitolo. Le sezioni, di cui appaiono al muoversi del cursore brevi commenti, sono leseguenti:

•• Legislazione: sezione contenente l’evoluzione del quadro normativo, dopo la nascitadel nuovo testo unico sulle acque, in riferimento alle leggi abrogate e al recepimentodelle Direttive Comunitarie.

•• Modellistica: descrizione dei fenomeni legati all’inquinamento fluviale. Analisi dellamodellistica delle acque con particolare attenzione alla fase di stima dei parametri.Cenni all’importanza di campagne di misura finalizzate alla calibrazione.

•• QUAL2E: descrizione delle potenzialità di QUAL2E: i costituenti simulati, laschematizzazione del bacino, l’analisi di incertezza, i limiti del modello. Descrizionedell’interfaccia Windows sviluppata per il modello e analisi della dinamica deinumerosi costituenti simulati.

•• Applicazioni: sviluppo di casi didattici aventi lo scopo di portare ad una conoscenzaapprofondita delle potenzialità di QUAL2E, partendo da casi molto semplici, fino adarrivare a casi più complessi e realistici.

•• Parametri: date le difficoltà oggettive nella fase di calibrazione del modello, legatesoprattutto al grande numero di parametri in gioco, questa sezione contiene sia i valoridei parametri contenuti nel manuale che quelli reperiti da uno studio sull’Arno, chepossono essere un buon punto di partenza per le simulazioni.

•• Glossario: raccolta di definizioni, consultabile sia dalla barra principale di menù, sia daparticolari collegamenti all’interno del testo (il glossario si apre, in questo caso, comeuna finestra indipendente, per facilitare la navigazione).

•• Download: sezione contenente il materiale scaricabile da questo sito: il modello ed ilsuo manuale utente, i testi delle leggi e gli allegati, Screen Cam Player, AcrobatReader. Lo stesso materiale può essere scaricato anche cercando all’interno dellaWeb Biography.

•• Web Biography: raccolta di link a siti web inerenti tematiche ambientali, organizzata indiverse sezioni. Di particolare interesse è la parte riguardante applicazioni del modelloa casi reali.

Infine, abbiamo riportato un’avvertenza per ottimizzare la visione del sito: è preferibileutilizzare il browser Netscape 4.5 e successivi, e adottare la risoluzione di 1024 x 768 pixelper lo schermo del computer.


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3.3 Legislazione

La sezione “legislazione” è articolata in tre categorie di argomenti:

1. Leggi vigenti;

2. Testo unico;

3. Approfondimenti.

3.3.1 Leggi vigenti

Alla pagina “Leggi vigenti” si trovano un’introduzione sull’evoluzione del quadro normativoin materia di acque e i contenuti del Decreto Legislativo 152/99, descritto ampiamente nelcapitolo 1.Nella parte introduttiva vengono citate diverse leggi abrogate e tuttora vigenti, i cuiargomenti possono essere visualizzati all’interno di finestre indipendenti per eventualiapprofondimenti.Infine sono esposti i temi affrontati dall’ultimo decreto sulla protezione delle acque e cioè:

•• Obiettivi;

•• Strumenti;

•• Obiettivi di qualità;

•• Piano di tutela delle acque;

•• Aree sensibili;

•• Tutela quantitativa e risparmio idrico;

•• Tutela qualitativa e disciplina degli scarichi.

In aggiunta ai commenti è possibile leggere gli articoli del testo di legge relativi ad ogniargomento attivando altre finestre indipendenti.

3.3.2 Testo unico

Passando alla pagina “Testo unico” si trova il testo del Decreto 152/99 così comemodificato dall’ultimo Decreto 258/2000 relativamente alle questioni di competenze, areesensibili, salvaguardia delle acque destinate al consumo umano, bilancio idrico,temporaneità delle concessioni per il prelievo delle acque, disciplina degli scarichi, sanzioniamministrative e penali; le correzioni apportate da quest’ultimo ordinamento sono statestampate in un colore differente per una maggiore visibilità.


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Per consentire una consultazione più agevole della legge abbiamo inserito la stessa in unframe affiancato ad un altro contenente i titoli e i capi del Decreto, così da facilitare laricerca di un particolare argomento.

3.3.3 Approfondimenti

Selezionando, dalla barra di navigazione, il bottone “Approfondimenti” si accede allasezione contenente i temi e i commenti alle leggi e direttive in materia di acque dal 1976 adoggi.Nell’indice posto sul lato sinistro della pagina è riportato l’elenco di quanto è possibilereperire in questa sezione:

•• Legge Merli;

•• Direttiva 91/271/CEE;


•• Legge Galli;

•• Obiettivi di qualità (Allegato I del D. Lgs. 258/2000);

•• Monitoraggio e classificazione (Allegato I del D. Lgs. 258/2000);

•• Campionamento (Allegato I del D. Lgs. 258/2000);

•• Rilevamento (Allegato III del D. Lgs. 258/2000);

•• Piani di tutela delle acque (Allegato IV del D. Lgs. 258/2000);

•• Aree sensibili (Allegato VI del D. Lgs. 258/2000);

•• Nitrati (Allegato VII A del D. Lgs. 258/2000).

Si è deciso di inserire nel sito i riassunti delle norme e di consentire il download deidocumenti interi in formato zip e pdf, cliccando sull’apposito bottone, che rimanda alla

Per poter visualizzare la norma che interessa, nella porzione centrale dello schermo, sarànecessario sceglierla dall’indice.

3.4 Modellistica delle acque

I testi contenuti in questa sezione ci sono stati forniti da Angela Sulis e Francesco Carlini,che hanno realizzato un sito analogo al nostro sul programma WODA, e sono consultabiliin allegato.Abbiamo organizzato i contenuti sulla modellistica delle acque in generale suddividendoli intre sottosezioni chiamate:

1. Ecosistema;


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2. Modellistica;

3. Campionamento.

“Ecosistema” riporta degli accenni all’ecosistema, all’inquinamento fluviale (tratti daNardini, Soncini Sessa e Bacci, 1990) e alle influenze di temperatura e portata su di essi.

Le pagine inerenti la modellistica sono state frammentate come risulta dall’indice sullasinistra che qui riportiamo:

•• Variabili del modello;Struttura del modello:

§ Il bilancio di massa ;

§ L’equazione di bilancio;

§ La dispersione;

•• Il modello idraulico;

§ Metodo delle caratteristiche;

§ Regime stazionario;

§ Moto uniforme;

•• Il modello termico;

•• Il modello biochimico;

§ Modelli ecologici;

§ Modelli chimici;

§ BOD e COD;

•• La simulazione;

§ Alternativa 1: dispersione nulla;

§ Alternativa 2: condizioni stazionarie;

§ Confronto tra le alternative;

•• Taratura.

Infine la sezione “Campionamento” è organizzata secondo quanto riportato nell’indiceseguente:

•• Le campagne di misura;Progetto della campagna:

•• Localizzazione delle stazioni;Misure da effettuarsi:

§ Misure idrauliche;

§ Misure termiche;


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§ Misure biochimiche;

•• Determinazione della linea caratteristica;

•• Controllo della stazionarietà idraulica;Criteri per la taratura:

§ Modelli ecologici;

§ Modelli chimici.

3.5 QUAL2E

Le spiegazioni relative al programma QUAL2E sono riportate alla sezione “QUAL2E”della barra di navigazione, suddivisa in tre diverse unità:

1. Cenni teorici;

2. Interfaccia;

3. Equazioni.

3.5.1 Cenni teorici

Abbiamo riportato una lezione introduttiva sulle potenzialità del modello in “Cenni teorici”,organizzando la pagina in modo da poter costantemente vedere l’indice degli argomentitrattati sul lato sinistro, e scegliere quindi di visualizzare quello interessato.Il primo tema affrontato è relativo alle ipotesi semplificative su cui si basa QUAL2E esuccessivamente viene riportato l’elenco dei quindici costituenti che possono essere simulatidal modello, con una figura delle loro interazioni (fig.3.2):


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Figura 3:2: Interazioni tra i costituenti simulati da QUAL2E

Ognuno dei quindici elementi è collegato alla pagina “Glossario” che ne dà una brevedefinizione; in caso di necessità sarà quindi possibile cliccare sul termine e far apparire inuna finestra indipendente le chiarificazioni del caso.Nei primi esercizi della sezione “Applicazioni”, abbiamo scelto di simulare solamente DO eBOD in modo da semplificare la comprensione delle influenze che condizioni differentiapportano ai costituenti di qualità. Successivamente i casi applicativi sono stati complicaticon l’aggiunta del ciclo dell’azoto, dei coliformi eccetera.


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In seguito abbiamo inserito una rapida descrizione della procedura di schematizzazione delbacino, riportando un elenco delle possibili caratteristiche di ogni elemento computazionaleed una figura esemplificativa (fig.3.3):

Figura 3.3: Schematizzazione di un bacino

La sezione “Cenni teorici” procede con le precisazioni circa i limiti dimensionali del modelloed un accenno alla rappresentazione concettuale, che introduce i concetti di bilancioidraulico, bilancio di massa e bilancio di calore ripresi poi alla pagina “Equazioni”.Successivamente, si discute sulla necessità di calibrare i numerosi parametri che rientranonelle reazioni chimiche e biochimiche di QUAL2E, e vengono presentati gli impieghi dellaversione statica e dinamica del modello.Dopo il riferimento ai metodi di soluzione utilizzati dal programma, abbiamo riportato unelenco delle tecniche da impiegare per svolgere un’analisi di incertezza con la proceduraQUAL2E-UNCAS: analisi di sensitività, analisi dell’errore di primo ordine e simulazioneMonte Carlo.


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Infine è presente un accenno alle funzioni forzanti, cioè gli input specificati dall’utente cheportano alla modellizzazione del sistema. Queste sono di quattro tipi: sorgenti, scarichipuntuali/prelievi, afflussi aggiuntivi e concentrazione di valle.Per prendere visione dei contenuti riportati in questa sezione si consulti il Cap.2.

3.5.2 Interfaccia utente

L’interfaccia Windows sviluppata per il modello QUAL2E è stata ideata per rendere menoproblematico, ad utenti non esperti, l’inserimento dei numerosi dati necessari alfunzionamento del programma.Questa sezione del sito, che si apre con una breve introduzione, raccoglie i seguentiargomenti, visualizzabili dall’indice sulla sinistra o dai link sul fondo delle pagine centrali:

•• Input;

•• Output;Inserimento dati:

•• Menù di scelta rapida;

•• Controllo simulazione;

•• Sistema idraulico;

•• Variabili globali;

•• Dati funzionali;

•• Dati climatologici;

•• Analisi di incertezza.

I paragrafi “Input” e “Output” contengono precisazioni circa il modo di gestire i file di inpute output da parte del modello, come già descritto al capitolo 2.“Menù di scelta rapida” è una rassegna di tutti i tasti presenti nell’interfaccia grafica diQUAL2E e include una spiegazione dell’utilità di impiego di ognuno.

Successivamente abbiamo inserito, alla voce “Inserimento dati”, una guida all’utilizzo dellediverse schermate del modello, raggruppate per tipologia di dati: ogni unità appartenente aquesta sezione riporta infatti le mappe esplorabili degli schermi relativi.In fase di svolgimento degli esercizi, in particolare durante la compilazione dei file di input,se necessario, sarà possibile attivare, in una finestra indipendente, la mappa della schermatainteressata con le spiegazioni corrispondenti.Si consulti il capitolo 4 per ulteriori delucidazioni circa l’impiego di questi strumentimultimediali e le informazioni riguardo i vari schermi.

3.5.3 Equazioni

La terza ed ultima unità nella sezione “Interfaccia” della barra di navigazione ha titolo


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In queste pagine abbiamo riportato gli approfondimenti relativi al programma QUAL2E,per gli utenti che desiderino avere una maggiore conoscenza delle ipotesi su cui lavora,suddivise come segue:

1. Sottomodello idraulico;

2. Sottomodello biochimico;

§ Clorofilla;

§ Ciclo dell’azoto;

§ Ciclo del fosforo;

§ BOD;

§ DO;

§ Coliformi;

§ Costituente non conservativo;

§ Temperatura;

3. Sottomodello termico;

4. QUAL2E UNCAS;

§ Sensitività;

§ Errore di primo ordine;

§ Monte Carlo.Abbiamo inserito questo capitolo di chiarimenti nel menù in testa ad ogni pagina, in mododa consentire ai fruitori più incuriositi di prenderne visione in qualsiasi momento dellanavigazione o di consultarlo dai link interni in fase di esercitazione.Grazie al frame sulla sinistra, che permette di visualizzare costantemente l’indice riportatopiù sopra, si può accedere immediatamente all’argomento interessato oppure utilizzare icollegamenti sul fondo delle pagine per leggere ogni parte della sezione; per ulteriorispiegazioni, anche da queste pagine, è possibile visualizzare il glossario in una finestraindipendente.

3.6 Applicazioni

Questo gruppo di pagine rappresenta il cuore del nostro lavoro, in cui si trovanoesercitazioni di varia difficoltà pensate per comprendere l’utilizzo di QUAL2E in tutte le suefunzioni.Abbiamo suddiviso gli argomenti in quattro sottosezioni:

1. Introduzione;

2. Asta semplice;

3. Affluente;


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4. Rete.

3.6.1 Introduzione

Selezionando dal menù a tendina la voce “Introduzione”, si carica una pagina affiancata daun indice che include i seguenti capitoli, necessari per familiarizzare con il sito ed ilprogramma QUAL2E:

•• Introduzione;

•• Scaricare QUAL2E;

•• Schematizzazione del sistema.

Nell’introduzione viene data una descrizione dell’organizzazione delle applicazioni divise intre gruppi, denominate rispettivamente “Asta semplice”, “Affluente” e “Rete”.Tali esercizi si prefiggono lo scopo di mettere in luce da una parte le potenzialità delmodello, dall'altra i problemi legati ad una corretta definizione dei parametri.Ogni gruppo di esercizi contiene uno o più casi base, insieme ad un certo numero divarianti.E' possibile passare da un esercizio ad un altro in due diversi modi:

§ utilizzando la barra di navigazione posta in testa ad ogni pagina;

§ selezionando la voce “Sezione successiva”, all'interno dell'indice corrente (checontiene gli argomenti trattati da quello specifico esercizio).

Sia l'indice che la barra di navigazione hanno quindi lo scopo di consentire una navigazionenon sequenziale all'interno dei vari argomenti, lasciando a ciascuno la possibilità discegliere il proprio percorso.Le prime esercitazioni sono descritte in modo dettagliato e serviranno a prendereconfidenza con il programma.In alcuni casi, abbiamo ritenuto opportuno far ricorso a dei filmati che mostrassero tutte leoperazioni che l'utente deve svolgere, all'interno di QUAL2E, per ottenere un certo scopo(creare un file di input, rappresentare graficamente i risultati di una simulazione, ecc).Per la visione di tali video, è necessario disporre di Screen Cam Player, scaricabile dallasezione “Download” del sito.Procedendo con la difficoltà degli esercizi, alcune delle operazioni già descritte verrannodate per scontate, per cui consigliamo agli utenti che non hanno alcuna conoscenza diQUAL2E di seguire le lezioni nell'ordine proposto.E' importante tener presente che, qualora fosse necessario, l'utente può in qualunquemomento ricorrere alle sezioni “Glossario”, “Mod. acque” e “QUAL2E” per i chiarimentidel caso.Prima di passare all’esercizio numero uno (contenuto in “Asta Semplice”), abbiamoriportato le informazioni necessarie per scaricare ed installare QUAL2E e la logica seguitadal modello nello schematizzare un sistema fluviale.


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E’ possibile scaricare il programma e la documentazione EPA direttamente da questo sito,

In alternativa, per eventuali versioni più aggiornate, gli utenti possono collegarsidirettamente al sito dell'EPA.Sempre in questa pagina consigliamo di scaricare anche il Manuale Utente fornito dall’EPAin versione pdf, per la visione del quale occorre Acrobat Reader (reperibile nel sito dellaAdobe, oppure, entrate nella sezione “Download” di questo sito).Un'ultima precisazione riguarda i filmati presenti all’interno degli esercizi: si tratta di filevideo SCM, che mostrano in modo chiaro come compilare le schermate dell’interfacciagrafica del programma. Per la visione di tali file, è necessario disporre di Screen CamPlayer (DOWNLOAD oppure Sito Lotus per una eventuale versione più aggiornata).Alla voce “Schematizzazione del sistema” abbiamo inserito una guida per imparare arappresentare correttamente ogni asta fluviale.Come già anticipato nella sezione teorica, il nostro modello presuppone una suddivisionedel reticolo idrografico in bracci ed una ulteriore suddivisione dei bracci in elementicomputazionali; per chiarire meglio come procedere nella schematizzazione, abbiamoriportato tre esempi di bacino:

1. Asta fluviale semplice;

2. Asta semplice con affluente;

3. Rete semplice.

Anche per questi casi abbiamo realizzato dei filmati, commentati da voci, che illustranol’intera procedura di rappresentazione dei bacini.Per prendere visione dei contenuti dei vari esercizi consultare il capitolo 5.

3.6.2 Asta semplice

Il primo vero esercizio presente in “Applicazioni” si trova alla voce Asta semplice”.Accedendo alla prima pagina si può prendere visione di una breve descrizione inerentel’esercitazione e dell’indice degli argomenti della sezione, suddivisi come segue:

•• Scarichi puntuali;

•• Un affluente non simulato;

•• Due affluenti non simulati;

•• Scarico distribuito.

La fonte dei dati utilizzati viene specificata di volta in volta.


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3.6.3 Affluente

Con questo secondo esercizio abbiamo realizzato simulazioni per bacini più complessicostituiti da un'asta principale ed un affluente, utilizzando dati reali per diversi costituenti diqualità.L’indice di questa sezione è organizzato nel modo seguente:


•• Dati utilizzati;

•• Inserimento dati;

•• Schematizzazione;

•• Portata – distanza;

•• BOD – DO – Temperatura;Varianti:

•• Inquinamento termico e coliformi;

•• Giorno d’estate;

•• Analisi di incertezza.

3.6.4 Rete

In questo terzo ed ultimo blocco di esercizi, denominato “Rete”, abbiamo preso inconsiderazione un caso più complesso dei precedenti, cercando di mettere in evidenza ilmodo in cui una situazione reale possa essere rappresentata schematicamente all'interno delmodello.A partire dai dati utilizzati nell'esempio precedente relativo al bacino dell’Arno, abbiamoaggiunto un ulteriore affluente, il Greve, che possiede a sua volta un immissario di una certaimportanza, l'Ema. L’indice della sezione è il seguente:


•• Descrizione bacino;

•• Dati utilizzati;

•• Inserimento dati;

•• Schematizzazione;

•• Portata – distanza;

•• BOD – DO – temperatura;Varianti:

•• Giorno d’estate.


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3.7 Parametri

In questa sezione abbiamo inserito i valori dei parametri contenuti nel manuale e quellireperiti in uno studio sull’Arno, che possono essere un buon punto di partenza per lesimulazioni.

3.8 Glossario

La sezione denominata “Glossario” contiene spiegazioni e approfondimenti relativi adalcune voci presenti nel testo.Essa è accessibile dalla barra di navigazione in testa ad ogni pagina, e in questo caso sicarica come una pagina a sé, oppure da particolari link che permettono di visualizzare ichiarimenti presenti nel glossario dentro una finestra indipendente, per facilitare lanavigazione.Abbiamo realizzato questa sezione con l’impiego di due frame orizzontali, il primocontenente i gruppi di lettere, in ordine alfabetico, collegate alla prima parola con la datainiziale, ed il secondo con le numerose definizioni.In questo modo, volendo visualizzare i termini che iniziano con la lettera C, basterà cliccaresul gruppo C-E.

3.9 Download

Questa sezione del sito, accessibile solo dalla home page, contiene il materiale scaricabile,suddiviso in:

•• QUAL2E;

•• Normativa;

•• Software di utilità.Per quanto riguarda il modello QUAL2E, abbiamo riportato i suoi requisiti minimi difunzionamento: l'interfaccia grafica lavora con Windows 3.1 (e versioni superiori), ma nonfunziona con Windows NT e richiede 4 MB RAM e 10 MB di spazio su Hard DiskSarebbe consigliabile disporre di un coprocessore matematico, pur non essendo richiesto.E’ possibile scaricare il programma e la documentazione EPA direttamente da questo sito,oppure dal sito dell'EPA (per l'indirizzo, consultare la sezione Webiography).

Alla voce “Normativa” si trovano, in formato zip e pdf, le seguenti leggi:

•• Legge Merli;

•• Legge Galli;




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•• D.Lgs 152/99;

•• D.Lgs 258/2000;

•• Allegati 2000.

Alla voce “Software di utilità” si possono scaricare lo Screen Cam Player della Lotus,necessario per potere vedere i filmati, e Acrobat Reader.

3.10 Web-bliography

La sezione “Web-bliography”, contenente una collezione di siti interessanti, si compone didue sottosezioni:

1. Internet e ambiente;

2. Internet e didattica.

La prima pagina è ulteriormente suddivisa nelle seguenti voci:

•• Legislazione;

•• Dati di qualità (acque);

•• Applicazioni QUAL2E;

•• Software ambientali.

Abbiamo attribuito, ad ogni indirizzo web, un nome ed una descrizione dei contenuti delsito citato.Alla sezione “Legislazione” si trova un elenco di pagine in cui è possibile reperire lenormative in campo ambientale, sia Italiane che comunitarie, mentre in quella successiva cisono i link ai siti contenenti dati di qualità e progetti in materia ambientale.Abbiamo riportato gli indirizzi di alcuni siti riguardanti casi di studio in cui è stato utilizzato il

link presso cui trovare programmi e modelliin “Software ambientali”.

Cliccando sul relativo bottone si accede alla parte inerente la didattica on-line, contenenteuna lista di indirizzi che offrono corsi di apprendimento via Internet tra i quali quelli delMETID, di FOR.COM e SmartPlanet già presentati nel Cap.1.

Cap.4: Implementazione del sito

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IMPLEMENTAZIONE DEL SITO

In questo capitolo, descriveremo il modo in cui il sito è stato implementato, facendo unabreve rassegna del software utilizzato e degli strumenti attraverso i quali abbiamo cercato direndere interattivo il nostro lavoro.

1.1 La realizzazione del codice

L’editor di HTML che abbiamo utilizzato è Composer di Netscape. Esso appartiene allacategoria degli editor WYSIWYG (acronimo per What You See Is What You Get), i qualinon visualizzano il codice, ma esclusivamente gli oggetti, le immagini e il testo e consentonoquindi di lavorare sulla pagina così come verrà visualizzata dal browser.Il codice generato da Composer risponde alle specifiche dell’HTML 4.0, fissate dal W3C(World Wide Web consortium).

Oltre al codice HTML, abbiamo fatto uso di alcuni piccoli programmi Javascript, che cihanno consentito ad esempio di sfruttare le cosiddette “finestre indipendenti”, che si apronoquando dal testo si decide di attivare un link.Per realizzare il Roll-Over Image presente nella Home Page e per creare i commenti cheappaiono sulle mappe relative alle schermate del modello QUAL2E, ci siamo servite dicodice DHTML (Dynamic HTML), che consente di creare pagine più dinamiche legandociò che appare nella pagina ad eventi legati al passaggio del mouse (on mouse over, onmouse out)


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Per quanto riguarda quindi le rifiniture e l’inserimento di queste particolari funzioni, ci siamoservite del Blocco Note di Windows.

1.2 La grafica

Parte delle immagini che compaiono nel sito provengono dal World Wide Web. Grazieall’esistenza di numerosi siti che mettono liberamente a disposizione degli utenti le proprierisorse, abbiamo potuto sopperire alla mancanza di un editor grafico che consentisse lacreazione di bottoni e sfondi. Pur essendo questo un aspetto relativo nella valutazione dellabontà di un sito, è comunque innegabile che una versione accattivante dell’interfaccia graficasia in grado di catturare l’attenzione di chi per la prima volta si approccia al sito.L’implementazione grafica del sito che abbiamo realizzato è semplice, seppur gradevole,perché abbiamo scelto di dedicarci maggiormente ai contenuti.

1.3 Gli strumenti multimediali

Nella realizzazione del sito, abbiamo cercato di sfruttare al massimo le potenzialità legateall’ipertesto e di inserire, dove possibile e nei limiti delle nostre conoscenze, un certo gradodi interattività tra il sito e l’utente.

1.3.1 La struttura delle pagine

Le pagine del sito sono organizzate in frame e ognuna di esse presenta tre finestre: una,laterale, contenente l’indice della pagina corrente, una, superiore, contenente la barra dinavigazione e una centrale, contenente l’argomento trattato.Abbiamo optato per questa scelta avendo la necessità di tenere sempre in primo piano unostrumento che consentisse di muoversi all’interno del sitoLa Fig.4.1 si riferisce al frame introduttivo della sezione dedicata ai casi applicativi.


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Figura 4.1: La struttura delle pagine

L’indice laterale consente di caricare nella finestra centrale della pagina il documentoHTML legato alla voce selezionata.Nella sezione “Applicazioni”, è comunque possibile muoversi all’interno dei vari esercizi inmodo sequenziale, utilizzando i bottoni “Pagina precedente” e “Pagina successiva” posti infondo ad ogni pagina.Nel momento in cui si scelga di passare ad un’altra sezione del sito, si caricherà in toto unnuovo frame, contenente in particolare l’indice della sezione selezionata.

La barra di navigazione si presenta come un menù che, al passaggio del mouse, si srotola,mostrando i sottomenu che compongono ogni sezione del sito. Nella figura che segue, sipuò vedere l’aspetto assunto dal menù quando il mouse viene posizionato alla voce

Figura 4.2: La barra di navigazione


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La scelta di utilizzare questo tipo di struttura è stata dettata dalla necessità di consentireall’utente di muoversi liberamente all’interno dei vari argomenti trattati, senza dovernecessariamente seguire un percorso sequenziale.

1.3.2 Le finestre indipendenti

I collegamenti ipertestuali presenti nei documenti sono stati realizzati ricorrendo all’aperturadi finestre indipendenti, di dimensioni minori di quella principale.Un esempio di tali finestre è mostrato in figura 4.3. La figura mostra il risultato che si ottienecliccando su una parola del testo (in questo caso, “ciclo dell’azoto”) che sia legata al

Figura 4.3: Le finestre indipendenti.

Abbiamo pensato a questa soluzione soprattutto per evitare che, attivando i link presentinel testo della finestra principale, si perdesse di vista il punto di partenza.

1.3.3 Le mappe esplorabili

Per la descrizione dei ventiquattro schermi che costituiscono l’interfaccia grafica delmodello QUAL2E, abbiamo deciso di creare delle mappe esplorabili.Si tratta di immagini suddivise in zone (le cosiddette “aree di ritaglio”, definite attraverso ladistanza in pixel dallo spigolo superiore sinistro dell’immagine). A ciascuna di queste zone èstato possibile associare un “evento” che consiste nel visualizzare un commento alpassaggio del mouse (on mouse over).


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In Fig.4.4, mostriamo la mappa creata per lo schermo numero dieci, che richiede di inserirei dati inerenti l’aumento di portata.

Figura 4.4: Esempio di mappa esplorabile.

Il commento visualizzato fa riferimento alla colonna “MIN DO” della tabella in questione.

Non disponendo di un generatore di “aree di ritaglio” interno a Netscape, ci siamo servitedi un software shareware dedicato a questo scopo (MapEdit 2.63), reperito dal sitohttp://www.html.it.La creazione di tali mappe ci ha consentito di rendere più chiara ed interattiva ladescrizione della creazione dei file di input necessari per le simulazioni, perché, ovenecessario, esse vengono richiamate con dei link, all’interno di finestre indipendenti.

Le mappe esplorabili sono contenute nella sezione “QUAL2E”, alla voce di menù“Interfaccia” e sono raggruppate per tipologia di dati richiesti per la loro compilazione.Abbiamo deciso di consentire all’utente di muoversi, a partire dalla finestra centrale dellapagina (che chiameremo “corpo del documento”), all’interno di uno stesso gruppo dischermi. In Fig.4.4, in basso, sono presenti, ad esempio, dei collegamenti agli altri schermiche fanno parte del gruppo “Dati funzionali”.Per passare ad esplorare un gruppo diverso di schermi, è necessario invece utilizzarel’indice laterale (finestra di sinistra nella Fig.4.4).

Daremo ora, per completezza, una descrizione dei contenuti delle mappe che abbiamocreato, raggruppandole per tipologia di dati richiesti.


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Per la visione delle ventiquattro schermate che compongono l’interfaccia grafica delmodello, si faccia riferimento all’Appendice.

Controllo della simulazioneLa prima sezione riguardante l’inserimento dei dati è “Controllo simulazione” che contienela schermata numero uno, per la quale abbiamo riportato anche i chiarimenti sui tasti discelta rapida (vedi Cap.2).Il primo passo da compiere per svolgere una simulazione è quello di attribuirle un titolo,inserendolo nella prima finestra superiore; successivamente occorre scegliere le unità dimisura, metriche o americane (U.S. units), e il tipo di simulazione, statica o dinamica.Selezionando i bottoni corrispondenti si decidono le opzioni da simulare tra analisi diincertezza, aumento di portata e caratteristiche idrauliche e si inserisce il numero dei braccicon cui schematizzare il sistema.Nell’ultima finestra rimanente sono attive differenti opzioni a seconda del tipo di simulazioneprescelta: non resta che definire il giorno iniziale, la durata totale, l’intervallo temporale e ilmassimo numero di iterazioni.

Sistema idraulicoAlla voce “ Sistema idraulico” si trovano le mappe della seconda e della terza schermata,che guidano alla schematizzazione del bacino: allo schermo due si inserisce il nome delbraccio, cui si riferiscono i dati, con il suo chilometro iniziale (tenendo presente che ilchilometro zero coincide con la foce del fiume) e quello finale. Infine si selezionano i bracciche rappresentano elementi di sorgente e si definisce la lunghezza dell’elementocomputazionale.Con lo schermo seguente si attribuisce una caratteristica, tra le otto possibili, ad ognielemento escludendo quelli di sorgente, foce e giunzione, già fissati dal programma.

Variabili globaliLa sezione “Variabili globali” comprende le schermate che vanno dalla quattro alla nove.La prima mappa del gruppo aiuta a selezionare i costituenti da simulare: nella finestra inizialesi attivano gli elementi prescelti tra temperatura, BOD, alghe, ciclo del fosforo, ciclodell’azoto, DO e coliformi fecali, nella seconda si definisce il numero e l’unità di misura deglieventuali costituenti conservativi e nelle terza si ripete quest’ultima operazione per quellonon conservativo.Inoltre, se si desiderano specificare le concentrazioni al contorno di valle dei costituenti,bisogna selezionare l’opzione corrispondente, così come occorrerà fare in caso si dispongadi misure di BOD5 assegnando un valore al coefficiente di conversione.La mappa numero cinque spiega come inserire i dati geografici relativi al bacino tra cuilatitudine, longitudine, meridiano standard, altitudine e coefficiente di attenuazionePer quanto riguarda i dati climatologici, bisogna scegliere se utilizzare input di temperaturavariabili con i bracci o valori globali, inserire il valore dei coefficienti di evaporazione e


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stabilire se adottare i valori di default per i coefficienti di correzione della temperatura ovalori specificati dall'utente.Infine, prima di selezionare il tipo di output desiderato, occorre, se si desidera simularel'andamento della concentrazione di DO e BOD, attivare l'opzione relativa e specificare ilnumero di grafici da ottenere.Con la mappa numero sei, l’utente viene guidato ad inserire il numero di misure di ossigenodisciolto per ogni corso d’acqua simulato, attivando poi il braccio di fiume cui le dettemisure si riferiscono.Abbiamo creato la mappa della schermata sette per insegnare come fornire al modello ivalori misurati di ossigeno disciolto medio, massimo e minimo per la calibrazione; insiemealle misure viene richiesta l’assegnazione del chilometro corrispondente per ogni grafico dioutput.I dati dello schermo seguente sono necessari soltanto se vengono simulate le alghe, il ciclodell'azoto e il ciclo del fosforo. La mappa da noi creata indica dove inserire i valori relativial ciclo dell'azoto, ai parametri e alle costanti che rappresentano la dinamica delle alghe edelle interazioni della luce sulla crescita algale.Inoltre bisogna inserire la frazione di radiazione solare utilizzata dalla crescita delle alghe e ilcoefficiente di inibizione alla nitrificazione.Se durante lo svolgimento di una simulazione, allo schermo cinque, si è scelto di avvalersi difattori di correzione per la temperatura specificati dall’utente si potrà compilare laschermata numero nove. In caso contrario, il programma fornisce dei valori di default.La mappa corrispondente allo schermo nove mostra dove assegnare i valori ai coefficientiper le reazioni del BOD, dell'ossigeno disciolto, ai coefficienti per il ciclo dell'azoto e delfosforo, al tasso di crescita, e al tasso di respirazione e di decadimento per le alghe, icoliformi e il costituente non conservativo, se simulato.

Dati funzionaliAlla voce “Dati funzionali” si trovano le mappe degli schermi che vanno dal numero dieci alnumero diciannove.La decima riguarda i valori circa eventuali aumenti di portata ed è utile per inserire ilnumero di fonti disponibili per l'aumento di flusso, la minima concentrazione di DOammissibile e l'ordine delle sorgenti di flusso, a partire da quella più a monte, per ognibraccio.La mappa dello schermo successivo guida nella descrizione idraulica del sistema, che puòavvenire in due differenti modi: tramite la scala delle portate oppure con l’assunzione dicanale trapezioidale. I layer, da noi realizzati indicano le colonne in cui aggiungere ilcoefficiente di dispersione longitudinale per il braccio in questione, i coefficienti checompaiono nelle relazioni che fanno dipendere velocità e profondità dalla portata, ilcoefficiente di Manning, tabulato per canali naturali e artificiali, e una descrizione dellecaratteristiche geometriche dell'alveo.


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Il dodicesimo schermo consente l'inserimento dei parametri che compaiono nelle equazioniche descrivono la dinamica di BOD e DO, e cioè i tassi di decadimento e sedimentazioneper il BOD e la domanda di ossigeno da parte dei sedimenti. Inoltre occorre scegliere iltipo di reareazione tra le diverse opzioni possibili; in base alla scelta fatta sarà necessariocompilare o meno le ultime tre colonne (solo se si adotta l'opzione “single coeff” oppure“power function”).La mappa successiva, per difficoltà di carattere grafico, descrive solo in parte la schermatanumero tredici, relativa ai parametri del ciclo del fosforo, dell’azoto e delle alghe.Nonostante questo, abbiamo chiaramente segnalato le colonne in cui vanno scritti i tassi diidrolisi e sedimentazione per l'azoto organico, il tasso di ossidazione dell'azoto ammoniacalee la frazione di questo proveniente da fonte bentonica, il tasso di ossidazione dell'azotonitrico e i tassi di decadimento e sedimentazione del fosforo organico. La tabella proseguecon la richiesta degli altri parametri contenuti nelle dinamiche dei tre elementi considerati.Procedendo nella creazione del file di input si arriva a definire le condizioni iniziali del fiumealla quattordicesima schermata. L’utente viene facilitato dalla consultazione della relativamappa, con la quale capirà dove inserire la temperatura iniziale dell’acqua per ogni braccio,così come le concentrazioni iniziali di ogni altro costituente simulato.Alla schermata numero quindici occorre introdurre, per ogni braccio, l'entità dell'incrementodi portata dovuto a perdite sotterranee o a scorrimento superficiale, distribuito dal modellolungo tutto il braccio. Inoltre vanno definite le concentrazioni dei costituenti simulatinell'incremento di flusso.Con la mappa sedici si può imparare a precisare le caratteristiche delle sorgenti presenti nelbacino schematizzato: facendo scorrere il mouse sull’immagine dello schermo vienemostrato dove inserire i valori di portata, di temperatura e di concentrazione dei costituentiper ogni elemento di sorgente.Successivamente (schermo diciassette) bisogna specificare le peculiarità degli scarichipuntuali e dei prelievi identificandoli con un nome, inserendo la percentuale di trattamentodel flusso, se presente, la portata (che in caso di prelievo sarà negativa), la temperatura e leconcentrazioni degli elementi simulati.Se nel bacino è presente uno sbarramento, sarà necessario compilare la diciottesimaschermata nella quale si attribuisce un valore alle costanti empiriche di qualità dell'acqua(aD) e di areazione (bD) per lo sbarramento, alla percentuale di flusso che sfiora sopra losbarramento e all’altezza dello sbarramento.Con l’ultima mappa della sezione “Dati funzionali” abbiamo indicato dove precisare lecondizioni al contorno di valle, necessarie quando si è in presenza di grossi estuari.

Dati climatologiciAlla voce “Dati climatologici” si trova solo la ventesima schermata. In essa, vanno inseriti idati necessari per simulazioni di temperatura sia statiche che dinamiche e per simulazionidinamiche in cui si considerano le alghe. La mappa segnala la colonna in cui fornire il mese,il giorno, l’ora e l'anno della simulazione. Inoltre viene indicato il punto in cui inserire il


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valore di radiazione solare netta (richiesta solo in caso di simulazione dinamica delle alghesenza simulazione di temperatura), la frazione di copertura nuvolosa , la temperatura dibulbo secco e umido, la pressione barometrica e la velocità del vento (necessari solo persimulazioni di temperatura).

Analisi di incertezzaAlla sezione successiva abbiamo riportato gli schermi per realizzare una analisi d’incertezza:tali schermi sono quelli che vanno dal ventuno al ventiquattro.Nel ventunesimo schermo, occorre attribuire un titolo e selezionare il particolare tipo dianalisi di incertezza che si desidera compiere, scegliere l’output da ottenere, il gruppo divariabili per cui calcolare i risultati e le condizioni di input per l'analisi di incertezza.E' possibile compilare la schermata seguente (la ventidue) solo se si è scelto di compierel'analisi di sensitività. Al suo interno abbiamo messo in evidenza la finestra in cui specificarese si desidera svolgere questa particolare analisi per una variabile alla volta o per gruppi.Nella mappa corrispondente viene indicato anche il punto in cui è necessario inserire ilnumero di input da perturbare (se l'analisi di sensitività viene svolta per una variabile allavolta il numero è uno, se per gruppi il numero può essere due o tre) e il valore percentualedi variazione da applicare alle variabili, dopo aver scelto per quali di queste svolgerel'analisi di sensitività.Lo schermo ventitré è relativo all’analisi Monte Carlo e all’analisi dell’errore di primoordine: accanto alle colonne che riportano i nomi delle variabili e il loro gruppo diappartenenza, l’utente deve fornire il valore della varianza corrispondente (valore che deveessere espresso in percentuale) e una distribuzione di probabilità a scelta tra la normale e lalognormale.Nell’ultima schermata attiva per la compilazione del file di input occorre selezionare glielementi nel bacino (fino ad un massimo di cinque) in corrispondenza dei quali vengonoesaminate le variabili di output per l'analisi d'incertezza.

1.3.4 I filmati

Per rendere più immediata la procedura che porta alla compilazione delle diverseschermate del modello, abbiamo deciso di generare dei video che mostrassero ilprogramma in azione, come se un ipotetico utente stesse svolgendo tutte le operazioniprecedentemente descritte a parole.Per la realizzazione di questi filmati, abbiamo utilizzato un software della Compagnia Lotus(http://www.lotus.com) denominato Screen Cam.Questo software genera filmati con estensione scm, facilmente visualizzabili se si dispone diScreen Cam Player. Nella sezione “Download” del sito, alla voce “Software di utilità”, èpossibile scaricare tale strumento, senza il quale, i filmati non sono visibili. Si trattacomunque di uno strumento gratuito, messo a disposizione dalla stessa Compagniaproduttrice.


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1.3.5 Roll-Over Image

Nella Home Page del sito, abbiamo inserito un Roll Over Image: si tratta di un effettopossibile grazie all’inserimento di codice DHTML, che consente di sovrapporre diversilayer. Apparentemente, nella pagina è presente una sola immagine, mentre in realtà esisteuno “strato” di immagini sovrapposte ed ognuna di esse risulta visibile o meno a secondadella posizione assunta dal mouse.Infatti, muovendo il mouse sopra le scritte che si trovano a sinistra dell’immagine, èpossibile far apparire altre immagini, che contengono un breve commento al contenuto diogni sezione del sito.In Fig.4.5, mostriamo l’aspetto del Roll Over Image contenuto nella Home Page, quandoil mouse non si trova sopra una delle scritte visibili a sinistra.

Figura 4.5: Roll Over Image in corrispondenza dell’evento “On MouseOut”.

In Fig.4.6, mostriamo invece l’aspetto assunto dal Roll Over Image, nel momento in cui ilmouse viene posizionato sulla scritta “Le scritte sono poi a loro volta dei link: cliccando sopra di esse, è possibile accederedirettamente alla sezione del sito corrispondente.


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Figura 4.6: Roll Over Image in corrispondenza dell’evento “On MouseOver”

L’effetto sopra descritto è possibile grazie ad un codice che definisce due tipi diversi dicomportamento (che si traducono in due diverse immagini caricate) legati appunto allapresenza o meno del mouse sopra la scritta.

Cap.5: Applicazioni

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5APPLICAZIONI

Questo capitolo contiene la descrizione dei casi applicativi presenti all’interno della sezione“Applicazioni” del sito. Nel seguito, oltre a riportare il testo dei casi sviluppati, cercheremoanche di chiarire la logica con cui essi sono stati scelti.Infatti, gli esercizi sono stati pensati in modo che sia possibile esplorare, con grado didifficoltà crescente, le potenzialità del modello e guidare l’utente meno esperto, passo perpasso, nell’uso dell’interfaccia grafica e nella compilazione dei file di input. A questo scopo,abbiamo scelto di introdurre “scenari” che fossero via descrizione delle operazioni da svolgere fosse più chiara possibile.La sezione “Applicazioni” contiene una introduzione (che ha lo scopo di chiarire la logica dischematizzazione di un sistema reale che sta alla base del modello) e tre gruppi di esercizi,denominati rispettivamente “Asta Semplice”, “Affluente” e “Rete”. Ognuno di essi contieneuno o più casi base, insieme ad un certo numero di varianti. I primi esercizi sono descritti inmodo dettagliato e consentono di impratichirsi con il programma.In alcuni casi, abbiamo ritenuto opportuno far ricorso a dei “filmati” che contenessero tuttele operazioni che l'utente deve svolgere, all'interno di QUAL2E, per ottenere un certoscopo (creare un file di input, rappresentare graficamente i risultati di una simulazione,ecc.).

Gli esercizi presentano, nel complesso, alcune ripetizioni, dovute alla struttura del sito e allascelta di consentire una navigazione non sequenziale al suo interno. Poiché infatti è previstoche ogni utente possa seguire il percorso che ritiene più adatto agli scopi che si prefigge,abbiamo pensato di mostrare, in ogni gruppo di esercizi, alcuni elementi (come ad esempio,il caso della giornata estiva, o quello dell’aumento/diminuzione di portata), ritenutifondamentali.

Cap.5: Applicazioni

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In questo modo, anche partendo ad esempio dall’applicazione “Affluente”, l’utente menoesperto può affrontare la gamma completa delle simulazioni, senza dover necessariamentepassare per le applicazioni precedenti.

Nei paragrafi che seguono, descriveremo i contenuti di ogni gruppo di esercizi.

1.1 La logica di schematizzazionePer chiarire come procedere nella schematizzazione, partiamo dal caso di un’asta fluvialesemplice della lunghezza complessiva di 30 Km e supponiamo che nel tratto damodellizzare vi siano due stazioni di misura, poste rispettivamente al Km 30 e al Km 20. InFig.5.1, abbiamo rappresentato la situazione appena descritta.

In particolare, nella Fig.5.1a, abbiamo mostrato lo schema proposto, mentre in Fig.5.1b èrappresentato lo stesso sistema, così come viene schematizzato all’interno di QUAL2E.Poiché le stazioni di misura sono due, potremmo pensare di dividere il sistema in duebracci. Il km 30 corrisponde alla sorgente del fiume, mentre il Km 0 è fissato incorrispondenza della foce. Non è necessario che i bracci abbiano la stessa lunghezza, ma

Cap.5: Applicazioni

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questo non vale per gli elementi computazionali: la loro ampiezza deve essere la medesimaper tutto il bacino e il loro numero all’interno di un braccio deve essere necessariamente unintero.Quindi, il prossimo passo sarà decidere la lunghezza dell’elemento computazionale, chesupponiamo essere di 2 Km. Il primo braccio risulta così diviso in cinque elementicomputazionali, mentre il secondo in dieci.

Il modello QUAL2E contiene, nelle prime tre schermate, la definizione delladiscretizzazione del sistema (si veda il Cap.4). Il grafico della rete (Fig.5.1b), però, èvisibile solo dopo aver compilato tutte le schermate, entrando nella procedura“GRAPHICS” e cliccando il bottone “REACHES”.Se le caratteristiche idrauliche all’interno di uno stesso braccio non sono uniformi, ènecessario suddividere ulteriormente il tratto in più bracci.

Supponiamo adesso che un affluente, della lunghezza di 10 Km, si immetta all’altezza delKm 20 nel nostro fiume e ipotizziamo di voler rappresentare tale affluente mediante ununico braccio.In Fig.5.2, è rappresentata una generica asta che riceva un affuente.

Figura 5.2: Asta con affluente.

Secondo la convenzione adottata dal modello, la sorgente dell’affluente corrisponde al Km10 dello stesso, mentre la sua foce (Km 0) viene a coincidere con il Km 20 dell’asta

Cap.5: Applicazioni

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principale. La numerazione dei bracci parte dall’asta principale, dalla sorgente verso lafoce, ma in corrispondenza di un elemento di giunzione, essa ricomincia, a partire dallasorgente dell’immissario, come si capisce dalla figura seguente.

Per finire, abbiamo considerato il caso della rete semplice indicata in Fig.5.3.

Figura 5.3: Esempio di rete

1.2 Asta semplice

Il primo gruppo di esercizi ha come argomento un sistema fluviale estremamentesemplificato, rappresentato da un’asta semplice. Lo scopo della sezione è essenzialmentequello di conoscere il modello e per questo motivo abbiamo descritto dettagliatamente laprocedura di schematizzazione di un bacino molto semplice, l'inserimento dei dati di input el'esecuzione.Per facilitare l’apprendimento abbiamo inserito, nel testo dell’esercizio, alcuni link dai qualiè possibile visualizzare le schermate di QUAL2E, e muovendosi con il mouse sopra di essefar apparire i commenti esplicativi.Anche da questa sezione sussiste la possibilità di vedere i filmati che contengonol'esecuzione dell'esercizio stesso.

La sezione si compone di tre parti principali:

Cap.5: Applicazioni

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•• una prima parte, in cui prendiamo in considerazione un’asta semplice in cui siimmettono uno o più scarichi concentrati;

•• una seconda parte, in cui rappresentiamo e simuliamo un sistema composto da un’astasemplice e da un’affluente non simulato;

•• una terza ed ultima parte, in cui prendiamo in considerazione il problema di simulareuno scarico distribuito.

Per ognuno di questi esercizi “base”, abbiamo deciso di introdurre delle varianti, con loscopo di descrivere la dipendenza dei fenomeni (principalmente la dinamica didegradazione degli inquinanti simulati) da determinati parametri, quali ad esempio latemperatura.I costituenti simulati in questo primo gruppo di esercizi sono l’ossigeno disciolto (DO) e ladomanda biochimica di ossigeno (BOD). Solamente nell’esercizio che riguarda lasimulazione di uno scarico diffuso, abbiamo aggiunto un ulteriore elemento (l’azoto),ipotizzando che la fonte dell’inquinamento da sostanze azotate fosse dovuto alla presenza,lungo l’asta fluviale, di una zona dedita all’allevamento.Nel seguito di questo paragrafo, descriveremo nel dettaglio gli esercizi che abbiamo svoltoe i risultati che le simulazioni ci hanno fornito.

1.2.1 Esercizio 1: asta semplice con uno scarico concentrato

Con questo primo esempio, ci proponiamo di evidenziare e di descrivere il fenomenodell'autopurificazione che ha luogo all'interno di un fiume, dovuto alla variazione dellaconcentrazione di ossigeno disciolto lungo l'asta.Per compilare questo esercizio, ci siamo ispiriate al bacino del Torrente Bormida e ai datirilevati nell'Aprile 1969 (Rinaldi et al, 1979).Consideriamo il caso di un'asta semplice della lunghezza di 70 Km, che riceva uno scaricopuntuale. Supponiamo di voler simulare l’andamento delle concentrazioni di BOD e DO inuna giornata invernale.Volendo mettere in evidenza la “curva a sacco”, espressione tipica della capacità diautopurificazione del fiume, abbiamo considerato una lunghezza dell'asta che consentissealla concentrazione dell'ossigeno disciolto di riportarsi al valore di saturazione.Per quanto riguarda la concentrazione degli scarichi, abbiamo invece considerato il valorelimite indicato negli Allegati al Nuovo Testo Unico sulle Acque.Per cominciare, abbiamo supposto di schematizzare il fiume attraverso un unico braccio,diviso in venti elementi computazionali (ciascuno della lunghezza di 3.5 Km), in accordocon il vincolo che ogni braccio all'interno del sistema contenga al massimo venti elementicomputazionali.La lunghezza che abbiamo scelto per singolo elemento computazionale è quindi la minimalunghezza consentita in questa particolare situazione.

Cap.5: Applicazioni

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Il corso d’acqua riceve lo scarico puntuale in corrispondenza del suo secondo elementocomputazionale, come mostrato in Fig.5.4.

Figura 5.4: Schematizzazione del sistema relativo al primo esercizio.

Per i valori numerici utilizzati in questa prima applicazione, si faccia riferimento all’Allegato.Di seguito, in Fig.5.5, riportiamo i risultati della simulazione per quanto riguardal’andamento di DO e BOD, mentre, per quanto riguarda l’andamento della portata,

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.5: Andamento di DO e BOD ottenuto dalla simulazione per “AstaSemplice con uno scarico concentrato”.

In figura, sull’asse delle ascisse, è riportata la distanza, misurata in Km lungo l’asta (lo zerocorrisponde all’elemento finale del sistema), mentre sull’asse delle ordinate è rappresentatala concentrazione dei costituenti simulati, misurata in mg/l.Notiamo che la curva a sacco per l'ossigeno è ben visibile: in corrispondenzadell'immissione dello scarico, la concentrazione di ossigeno disciolto cala bruscamente, finoa raggiungere un minimo di circa 3 mg/l (leggermente sfasato rispetto al picco di BOD), perpoi risalire e raggiungere il valore di saturazione (9 mg/l circa).Per quanto riguarda il BOD, notiamo il picco in corrispondenza del secondo elementocomputazionale (in accordo col fatto che in quel punto avviene l’immissione dello scarico)evediamo chiaramente il decadimento esponenziale nella concentrazione, che caratterizza ladinamica di tale elemento.

Le varianti sviluppate per questo primo esercizio sono:

•• Due scarichi concentrati;

•• Giorno d’estate.

Di seguito, riportiamo una breve descrizione di ognuna di esse.

Due scarichi concentratiIpotizziamo ora che all'interno del sistema siano presenti due scarichi concentrati.

Cap.5: Applicazioni

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Per ora, supponiamo ancora che il sistema sia schematizzabile mediante un unico braccio,contenente venti elementi computazionali.Per compilare il file di input per questo esercizio, è possibile partire dal file generato perl’esercizio 1, che corrisponde alla schematizzazione con lunghezza dell’elementocomputazionale pari a 3.5 km.Gli scarichi concentrati sono posizionati in corrispondenza del secondo e del sestoelemento computazionale. Non riportiamo il grafico di questa nuova schematizzazione, marimandiamo all’Allegato, dove è presente l’intero contenuto del sito.I risultati ottenuti nella simulazione sono rappresentati in Fig.5.6.

Figura 5.6: Andamento di BOD e DO, in presenza di due scarichiconcentrati.

Notiamo come la curva a sacco per l'ossigeno mostri chiaramente la presenza dei duescarichi puntuali, e questo si rileva anche dall'andamento del BOD. Infatti, incorrispondenza del secondo elemento computazionale, la concentrazione di BOD presentaun picco marcato (circa 17 mg/l) e poi comincia a decrescere esponenzialmente, fino adarrivare al sesto elemento computazionale, dove troviamo un secondo picco, di entitàinferiore al primo (circa 6 mg/l). A valle di questo, continua il decadimento del BOD, chearriva a concentrazioni del tutto trascurabili intorno al chilometro 20.Per quanto riguarda il valore del minimo deficit di ossigeno, il suo valore restasostanzialmente invariato, rispetto al caso precedente (un solo scarico puntuale).

Cap.5: Applicazioni

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Giorno d’estatePer cercare capire come la temperatura sia in grado di influenzare i fenomeni di qualità di uncorso d'acqua, abbiamo deciso di simulare l'andamento della concentrazione di BOD e DOnel fiume in una giornata di Luglio. Di nuovo, è possibile generare il file di input necessario aquesta simulazione aprendo e modificando il file relativo alla prima variante (“Due scarichi

I valori numerici cui fare riferimento sono contenuti nell’Allegato.I risultati della simulazione sono rappresentati in Fig.5.7.

Figura 5.7: Andamento di BOD e DO in una giornata estiva.

Notiamo che l'andamento delle concentrazioni dei due costituenti simulati è analogo aquello rappresentato in Fig.5.6. La differenza sta nel fatto che il “sacco” descritto dallacurva è meno ampio, il minimo assume un valore più piccolo che nel caso precedente (orail minimo deficit di DO si aggira intorno a 1,5 mg/l) e il valore raggiunto a saturazione è piùbasso (7,5 mg/l). Dunque, la situazione peggiore per la qualità di un fiume si verifica inpresenza di alte temperature (ovvero nel caso di giornate estive).

Cap.5: Applicazioni

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1.1.1 Esercizio 1A: asta semplice con un affluente non simulato

Il modello QUAL2E consente di tenere conto di eventuali affluenti che si immettono nelfiume, pur senza simularli: ai fini della simulazione, essi assumono lo stesso ruolo degliscarichi concentrati.Questo esercizio si propone di prendere in considerazione questa situazione, analizzandoquanto avviene presso la confluenza.Per quanto riguarda i dati utilizzati, ci siamo ispirate ai dati contenuti nel testo “Indaginesulla qualità delle acque nella Provincia di Milano (aggiornamento al 1993)”.

Consideriamo un fiume dalla portata di 300 m3/s, della lunghezza di 12 km, in cui si immettaun affluente (che tratteremo come uno scarico puntuale non trattato).Per quanto riguarda la schematizzazione del sistema, supponiamo di dividere il fiume in unsolo braccio e di voler simulare l'andamento delle concentrazioni di DO e BOD lungo l'asta(utilizzando i valori numerici presenti nell’Allegato).Supponiamo che la lunghezza dell'elemento computazionale sia pari a 1 Km. In questomodo, nel nostro sistema, saranno presenti 12 elementi computazionali.

I risultati ottenuti da questa simulazione sono riportati in Fig.5.8.

Figura 5.8: Andamento di BOD e DO, in presenza di un affluente nonsimulato.

Cap.5: Applicazioni

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Notiamo che l‘andamento dell'ossigeno disciolto presenta una concavità poco accentuata,indice del fatto che le concentrazioni degli indicatori dovute all’affluente non simulato nonsolo tali per cui il sistema possa risentirne in modo significativo. La concentrazione di DO simantiene attorno a 10 mg/l.La concentrazione di BOD partendo dal valore di circa 3 mg/l, cresce in corrispondenzadell'elemento numero cinque e dopo aver raggiunto il suo massimo (5 mg/l), decresce moltolentamente.

Le varianti introdotte per l’esercizio 1A sono le seguenti:

•• aumento di portata;

•• diminuzione di portata;

•• giorno d’estate;

•• aumento della concentrazione dello scarico;

•• trattamento dello scarico;

•• caso peggiore.

Nel seguito, daremo una breve descrizione dei contenuti delle varianti sopra elencate e deirisultati da esse forniti in simulazione.

Aumento di portataPartendo dal file creato per l’esercizio 1A, con lunghezza dell'elemento computazionale paria 1 km, supponiamo di voler variare la portata, per vedere come questo possa influire suirisultati della simulazione.I valori numerici utilizzati per questo caso sono gli stessi del precedente (Es.1A), eccettoche per la portata, per la quale ipotizziamo un aumento del 10%.L'inserimento dei dati è identico per tutte gli schermi, tranne che per il sedicesimo, dovesarà necessario assegnare il nuovo valore della portata. Naturalmente, nulla cambia nellaschematizzazione del sistema.

I risultati della simulazione sono rappresentati in Fig.5.9.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.9: Andamento di BOD e DO per il caso “aumento di portata”.

Notiamo che l’andamento della concentrazione di ossigeno disciolto presenta una concavitàleggermente minore rispetto al caso esaminato nell’esercizio 1A. La capacità diautodepurazione del fiume infatti è proporzionale alla portata, e quando quest'ultima cresce,diminuisce il deficit di ossigeno causato dall'immissione dello scarico. L'aumento di portatatuttavia è così modesto da rendere irrilevanti le variazioni negli andamenti di BOD e DO,rispetto al caso esaminato in precedenza.

Proveremo allora, nella prossima variante, a diminuire notevolmente il valore della portata.

Diminuzione di portataProviamo a modificare l'esercizio 1A (schematizzazione: 1 braccio e 12 elementicomputazionali), dimezzando il valore della portata.I valori numerici cui fare riferimento sono riportati in Allegato.Osserviamo come cambia il grafico relativo alla concentrazione di BOD e DO,rappresentato in Fig.5.10.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.10: Andamento di BOD e DO per il caso “diminuzione di

Notiamo che la curva dell'ossigeno presenta una concavità decisamente più marcatapoiché, essendo diminuita la portata, il fiume ha una capacità autodepurativa inferiore. Laconcentrazione di BOD presenta un picco più elevato in corrispondenza dell’affluente.Come è noto, infatti, la situazione peggiore per lo stato di salute di un corso d'acqua siverifica in condizioni di scarsa portata.Per quanto riguarda l’entità delle variazioni, possiamo concludere che, nel sistema preso inesame, una diminuzione del 50% della portata si riflette in un aumento del 45% circa nellaconcentrazione di BOD (che in realtà è dovuto ad una diminuzione della diluizione), incorrispondenza dell’elemento finale del sistema stesso.

Cerchiamo ora di capire come la temperatura influenza i fenomeni di qualità di un corsod'acqua e simuliamo l'andamento della concentrazione di BOD e DO in una giornata estiva(luglio).Il punto di partenza resta ancora l’esercizio 1A (per i valori numerici, si veda l’Allegato).Supponiamo di voler partire dal file già creato per l’esercizio 1A e di volerlo modificare peradattarlo al caso descritto sopra. A questo scopo, dopo aver aperto il file, basteràmodificare lo schermo 1 (vedi Appendice), dove inseriremo un diverso giorno di inizio dellasimulazione, gli schermi 14 e 16 (vedi Appendice),dove servirà un nuovo valore ditemperatura dell’acqua, sia per le condizioni iniziali che per l’elemento di sorgente ed infinelo schermo 17, dove inseriremo un nuovo valore per la temperatura dello scarico, cheessendo un affluente non simulato, risentirà delle condizioni climatiche.

Cap.5: Applicazioni

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In Fig.5.11, è rappresentato l’andamento di BOD e DO.

Figura 5.11: Andamento di BOD e DO per il caso “giorno d’estate”.

Come già detto per il caso “giorno d’estate” dell’esercizio 1, la curva a sacco perl'ossigeno presenta una concavità maggiore rispetto allo stesso esempio in condizioniinvernali (vedi Es.1A). Infatti, all’aumentare della temperatura, vengono accelerati iprocessi di eutrofizzazione all'interno del fiume.

Aumento della concentrazione dello scaricoAumentando la concentrazione di BOD nello scarico inquinante, la situazione di qualità delsistema peggiora. L’esercizio proposto ha lo scopo di verificare questa affermazione e divalutarla quantitativamente.Il punto di partenza per questa simulazione è il file di input creato per il caso “giornod’estate” e l'unico dato che è necessario variare è la concentrazione di BOD dello scarico(che si trova nello schermo 17, contenente le caratteristiche degli scarichi puntuali presentinel sistema), che da 36.5 mg/l passa a 50 mg/l.Osserviamo come cambiano le concentrazioni di BOD e DO, rappresentate in Fig.5.12.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.12: Andamento di BOD e DO per il caso “aumento diconcentrazione dello scarico”.

Notiamo che la curva dell'ossigeno presenta un andamento pressoché identico a quellodell'esempio con concentrazione minore dello scarico (“giorno d’estate”).Per quanto riguarda l'andamento del BOD, notiamo una piccola differenza nel suo valoremassimo, che in questo caso è pari a 5.5 mg/l contro i 5 mg/l dell’esercizio precedente.Tuttavia, le differenze sono minime, in quanto la portata dello scarico è così ridotta darisultare irrilevante.

Trattamento dello scaricoSupponiamo che lo scarico, prima di recapitare nell’asta principale, sia soggetto ad untrattamento che abbia lo scopo di diminuire la concentrazione degli inquinanti. Ipotizziamoche la percentuale di trattamento sia pari al 30%.Abbiamo scelto questo esercizio, per mostrare che è possibile ipotizzare diversepercentuali di trattamento degli scarichi, in modo da poter ad esempio scegliere quella piùadeguata al rispetto dei limiti di legge. In questo modo, il modello può essere usato inpianificazione, ad esempio per dimensionare un ipotetico impianto di trattamento.

La simulazione ha fornito i risultati rappresentati in Fig.5.13.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.13: Andamento di BOD e DO per il caso “trattamento dello

Notiamo che la situazione è leggermente migliorata rispetto al caso di assenza ditrattamento: per quanto riguarda la concentrazione di ossigeno disciolto la curva a saccorimane praticamente invariata, mentre l'andamento di BOD presenta un picco di entitàinferiore in corrispondenza dell'immissione dello scarico (da 5.5mg/l, passiamo ad un valoredi poco inferiore a 5 mg/l).

Sarebbe agevole ricercare in questo modo qual è l’entità del trattamento necessario permantenere nel fiume concentrazioni minime di ossigeno assegnate..

Caso peggioreConsideriamo, alla luce delle simulazioni svolte fino ad ora, il caso peggiore che abbiamovisto verificarsi in presenza di:

•• scarsa portata nel fiume;

•• elevata temperatura;

•• scarico ad elevata concentrazione di inquinante, in assenza di trattamento.

Eseguiamo una nuova simulazione, utilizzando i valori numerici caratteristici delle situazionisopra elencate e già introdotti negli esercizi precedenti.

Il risultato della simulazione è rappresentato in Fig.5.14.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.14: Andamento di BOD e DO per il “caso peggiore”.

Come ci si aspettava, la situazione è peggiore di quelle analizzate finora.Osserviamo infatti che, rispetto a tutti i casi precedenti, l'ossigeno disciolto presenta undeficit maggiore in corrispondenza dello scarico. Nello stesso punto l'andamento di BODpresenta un picco molto più marcato, a causa dell'elevata concentrazione nello scarico,della mancanza di trattamento e della scarsa portata del fiume recettore.Il picco di BOD raggiunge un valore di circa 8 mg/l e decresce lentamente, fino adassumere, nell’elemento finale del sistema il valore di 7 mg/l.Nello stesso punto, il DO assume un valore di 9 mg/l e la curva è ancora in fasedecrescente.

1.1.2 Esercizio 1B: asta semplice con due affluenti non simulati

Ipotizziamo che, partendo dal sistema già introdotto nell’esercizio 1A (“Indagine sullaqualità delle acque nella Provincia di Milano - Aggiornamento al 1993”), si voglia effettuareuna simulazione che prenda in considerazione la presenza di due affluenti. Ipotizziamo dinon voler simulare il comportamento di detti affluenti.Il sistema sia inoltre schematizzabile mediante un unico braccio, contenente dodici elementicomputazionali (in seguito, cercheremo di capire quali siano i vantaggi legati ad una piùaccurata discretizzazione).Lo scopo della simulazione è ancora quello di simulare l’andamento delle concentrazioni diBOD e DO, in una giornata estiva.

Cap.5: Applicazioni

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I due affluenti si immettono nell’asta principale in corrispondenza del quinto e dell’ottavoelemento computazionale. Le caratteristiche dei due scarichi e gli altri dati numerici utilizzatisono contenuti in Allegato.

Osserviamo ancora una volta il grafico contenente l’andamento delle concentrazioni diBOD e DO (Fig.5.15).

Figura 5.15: Andamento di BOD e DO per l’esercizio 1B.

Notiamo che l'ossigeno non ha ancora raggiunto il suo picco negativo (per vedernel'andamento completo, bisognerebbe considerare un tratto di fiume più lungo) e chel'andamento del BOD mostra chiaramente la presenza dei due scarichi concentrati. Incorrispondenza del quinto e dell'ottavo elemento computazionale, infatti, la concentrazionedi BOD presenta due brusche impennate e dopo aver raggiunto il massimo (pari a 9 mg/l,in corrispondenza del quinto elemento computazionale), decresce molto lentamente.

A partire da questo caso base, abbiamo sviluppato le seguenti varianti:

•• diminuzione di portata;

•• trattamento dello scarico;

•• nuova schematizzazione;

•• canale trapezoidale.Entriamo ora nel dettaglio di ogni variante, mostrando come al solito i risultati ottenuti dallediverse simulazioni.

Cap.5: Applicazioni

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Diminuzione di portataPoiché abbiamo già evidenziato il fatto che un aumento di portata non può portare ad unpeggioramento delle condizioni di qualità, passiamo direttamente ad analizzare il caso in cuisi abbia una diminuzione della portata stessa (in particolare, ipotizziamo che essa diminuiscadel 50%, rispetto al valore utilizzato per l’Es.1B, per mettere meglio in evidenza levariazioni conseguenti).Per creare il nuovo file di input, è sufficiente caricare il file generato per l’esercizio 1B emodificare lo schermo 16 con il nuovo valore della portata.L’output del modello è rappresentato in Fig.5.16.

Figura 5.16: Andamento di BOD e DO per il caso “diminuzione della

Esattamente come nell'esercizio 1B, la curva a sacco per l'ossigeno non ha ancoraraggiunto il suo picco negativo (la concentrazione di DO è in fase decrescente), ma ladifferenza sostanziale sta nel fatto che tale curva decresce molto più rapidamente che nelcaso precedente. Ciò che aumenta in modo preoccupante è la concentrazione di BOD, cheraggiunge un massimo di circa 14 mg/l (contro i 9 mg/l dell'esercizio 1B).Possiamo quindi concludere che non notiamo differenze strutturali negli andamenti dellecurve. Le condizioni di qualità del fiume però sono nettamente peggiori, perché il livello diDO diminuisce, mentre la concentrazione di BOD aumenta.

Trattamento dello scaricoConsideriamo ancora il caso in cui nel sistema si immettano due scarichi concentrati (dueaffluenti non simulati).

Cap.5: Applicazioni

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Il nostro scopo, in questo esercizio, è quello di analizzare come la situazione possamigliorare, introducendo una fissata percentuale degli scarichi (supponiamo che talepercentuale sia del 30%).In Fig.5.17, sono rappresentati i risultati che questo caso ha fornito in simulazione.

Figura 5.17: Andamento di BOD e DO per il caso “trattamento degli

Da un rapido confronto con il caso precedente, in cui il trattamento era assente, notiamoche la concentrazione di BOD subisce una drastica riduzione, e nel contempo, il consumodi ossigeno dovuto all'autopurificazione del fiume è più lento (la concentrazione di DOdiminuisce più lentamente che nel caso “diminuzione di portata”). Nel sistema analizzato,una percentuale di trattamento dello scarico del 30% induce una diminuzione nel picco diconcentrazione di BOD del 29%. Nel complesso, quindi, siamo in presenza di condizioni diqualità migliori.

Nuova schematizzazioneConsideriamo ancora il caso in cui nel sistema si immettano due scarichi concentrati.Il nostro scopo, in questo esercizio, è quello di dare una descrizione più accurata delsistema, per capire se, in questo modo, sia possibile seguire meglio l'evoluzione deifenomeni. Per fare questo, suddividiamo il tratto in esame in due bracci e riduciamoulteriormente l'ampiezza dell'elemento computazionale (ponendola uguale a 0.5 Km). Ilgrafico del sistema generato da QUAL2E è rappresentato in Fig.5.18.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.18: Schematizzazione più accurata del sistema.

La nuova schematizzazione andrà definita all’interno dello schermo 2: supponiamo di porreil primo braccio lungo 5 Km ed il secondo lungo 7 Km.Poniamo inoltre la lunghezza dell'elemento computazionale uguale a 0.5 Km.Il sistema dovrà risultare diviso in ventiquattro elementi computazionali: dieci si troverannonel primo braccio, mentre i rimanenti quattordici saranno nel secondo braccio. Supponiamoche gli scarichi puntuali siano in corrispondenza del quarto elemento computazionale delprimo braccio e del terzo elemento computazionale del secondo braccio. Infine, ipotizziamoche i due bracci abbiano le stesse caratteristiche idrauliche (che verranno definite all’internodello schermo 11).Lo schermo 17 (definizione delle caratteristiche degli scarichi), pur presentandosiapparentemente identico a quello dell’esercizio “trattamento dello scarico”, in realtàcontiene una informazione aggiuntiva, in quanto specifica il braccio cui ciascun scaricoappartiene.

Osserviamo in Fig.5.19 i risultati di questa simulazione.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.19: Andamento di BOD e DO nel caso di una più accuratadiscretizzazione del sistema.

Di nuovo, la concentrazione di ossigeno decresce rapidamente senza raggiungere il suominimo. L'andamento del BOD presenta, come già notato in precedenza, due discontinuità,in corrispondenza dei due scarichi concentrati ed il suo decadimento risulta essere moltolento.L’andamento delle due curve è molto simile a quello evidenziato nel caso in cui avevamoschematizzato il sistema con un unico braccio. Una scelta del genere potrebbe risultaretuttavia utile, in presenza di alvei aventi caratteristiche idrauliche diverse, perché solosuddividendo il tratto in più bracci è possibile differenziare le caratteristiche (all’interno diuno stesso braccio, infatti, il modello presuppone la definizione di caratteristiche idraulicheuniformi).

Canale trapezoidaleIl modello QUAL2E consente di definire le caratteristiche idrauliche del canale attraverso ladefinizione della geometria della sezione (qualora fosse nota). Questo esercizio ha lo scopodi descrivere la procedura da seguire in questo caso.Il primo passo consiste nello scegliere, all’interno dello schermo iniziale, l’opzionetrapezioidal channel”. Tale scelta rende attiva una parte della schermo 11 che nelle

precedenti simulazioni non risultava accessibile.I dati numerici relativi a questo esercizio sono contenuti in Allegato.Ricordiamo che l'esercitazione viene svolta per un fiume avente una portata di 150 m3/s,diviso in due bracci e in 24 elementi computazionali, e che la simulazione riguarda

Cap.5: Applicazioni

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l’andamento delle concentrazioni di DO e BOD in una giornata estiva, a seguitodell'immissione di due scarichi concentrati.I risultati della simulazione sono rappresentati in Fig.5.20.

Figura 5.20: Andamento di BOD e DO nel caso “canale

Notiamo che i risultati della simulazione non sono differenti dal caso precedente: laconcentrazione di ossigeno disciolto presenta un andamento simile mentre il BOD decrescepiù lentamente in seguito all'immissione degli scarichi.Il risultato è ovvio, se si pensa che le situazioni simulate sono identiche: l’opzione “canaletrapezoidale serve solo a definire in modo differente le caratteristiche idrauliche del fiume.La scelta dipende dal tipo di dati che si ha a disposizione.

1.1.3 Esercizio 1C: asta semplice con scarico distribuito

Consideriamo un tratto di fiume dalla lunghezza di 30 km, che abbia una portata di 150m3/s, nel quale si immettano uno scarico distribuito ed uno scarico concentrato.Il modello QUAL2E consente di simulare la presenza di scarichi distribuiti: essi vengonodefiniti all’interno di un braccio e vengono distribuiti tra gli elementi computazionali di quelbraccio.Supponiamo che il carico distribuito sia dovuto all'immissione delle acque reflue provenientida diversi allevamenti posizionati in corrispondenza del secondo braccio e simuliamoquindi, oltre a DO e BOD, il ciclo dell'azoto (vedi Cap.2). Lo scarico puntuale potrebbeessere un affluente non simulato.I dati utilizzati per questo esercizio sono contenuti in Allegato.

Cap.5: Applicazioni

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In Fig.5.21, è mostrato l’andamento di BOD e DO ottenuto con questa simulazione.

Figura 5.21: Andamento di BOD e DO per il caso “scarico distribuito”.

Notiamo che l'ossigeno decresce considerevolmente lungo l'asta ma non raggiunge il suopicco negativo (per vederne l'andamento completo, bisognerebbe considerare un tratto difiume più lungo).L'andamento del BOD mostra chiaramente la presenza di uno scarico distribuito, infatticresce costantemente lungo il secondo braccio per poi decrescere fino alla foce.

In Fig.5.22, è invece mostrato l’andamento degli elementi che costituiscono il ciclo delfosforo.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.22: Andamento dei composti dell’azoto, per il caso “scarico

Nel grafico, è mostrato l'andamento di azoto organico, nitroso, nitrico e ammoniacale.Notiamo che tutte le componenti del ciclo simulato aumentano costantemente lungo ilsecondo braccio dove il fiume riceve gli apporti inquinanti degli allevamenti. In particolare,la concentrazione più elevata è quella dell'azoto organico. In corrispondenza dell'inizio delterzo braccio le quattro curve presentano un tratto orizzontale per poi decrescerebruscamente nel punto di immissione dello scarico concentrato che ne diluisce laconcentrazione. Il tratto finale è costante e orizzontale.

Cap.5: Applicazioni

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1.1 Un affluente simulato

Nel secondo gruppo di esercizi, abbiamo scelto un sistema composto da un’asta principalein cui confluisce un unico affluente.Il bacino in esame è quello del fiume Arno ed è rappresentato nella figura che segue:

Figura 5.23: Il bacino del fiume Arno.

Il sistema fluviale che abbiamo deciso di utilizzare corrisponde approssimativamente alValdarno Medio, nel tratto che si estende dal Canale Maestro della Chiana al fiume Elsa.Si tratta di un sistema semplificato, nel senso che non abbiamo considerato tutti gli apportiche il fiume Arno riceve dai suoi numerosi affluenti. Abbiamo ritenuto che fosse comunqueun buon punto di partenza per mostrare il funzionamento del modello, anche grazie al fattoche è stato possibile reperire in rete uno studio inerente la qualità delle acque del fiumeArno, nel sito della Provincia di Firenze (“Qualità e portata dei fiumi della Provincia di

http://www.provincia.fi.it/ambiente/acqua/portate/01-2.htm).

La figura che segue mostra invece la schematizzazione che abbiamo adottato perrappresentare il fiume Arno ed il suo affluente Sieve:

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.24: Schematizzazione del sistema oggetto dell’esercizio 2.

Come mostrato in Fig.5.24, consideriamo un tratto del fiume Arno della lunghezza di 140Km. Il chilometro 140 corrisponde all’elemento di sorgente (Canale Maestro dellaChiana), mentre il chilometro 0 coincide con l’elemento finale del sistema (fiume Elsa).Procedendo da monte verso valle, all’altezza del chilometro 85, incontriamo il punto in cuila Sieve si immette in Arno (Soncini Sessa et al., 1990).In figura abbiamo anche riportato la posizione delle stazioni di misura (Figline, Rignano,Rosano, S.Donnino e Marcignana) di cui ci siamo servite per fornire al modello i valori diDO osservato.Per descrivere un sistema del tipo di quello rappresentato in Fig.5.24, è necessariosuddividere l’asta principale al minimo in due bracci, uno a monte e l’altro a valle del puntoin cui l’affluente si immette nel fiume principale (che nel modello prende il nome dijunction element”, cioè elemento di connessione).

In questo esercizio, abbiamo scelto di utilizzare la rappresentazione “minima” per il sistema,definendo un numero di bracci pari a tre (utilizzando il terzo braccio per rappresentarel’affluente non simulato).

1.1.1 Esercizio 2: asta con affluente simulato (caso base)

Prendiamo in considerazione il sistema descritto nel paragrafo precedente e supponiamo divoler simulare l’andamento di temperatura (T), BOD e DO, in una giornata invernale.A questo scopo, utilizziamo i dati reperiti presso il sito web della Provincia di Firenze(http://www.provincia.fi.it/ambiente/acqua/portate/01-2.htm) e presenti in Allegato. Nelmomento in cui si decida di simulare un affluente, è necessario introdurre, nellaschematizzazione, due elementi di sorgente, uno per l’asta principale e l’altro per l’affluente.La numerazione dei bracci parte dall’elemento di sorgente dell’asta principale, e una voltagiunti all’elemento subito a monte di una connessione, riprende a partire dall’elemento di

Cap.5: Applicazioni

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La Fig.5.25, che mostra la schematizzazione del sistema generata dal modello QUAL2E,chiarisce quanto appena esposto.

Figura 5.25: Schematizzazione del sistema, utilizzata per l’esercizio 2.

Abbiamo escluso, per questo esercizio, la presenza di scarichi puntuali.I dati numerici relativi a questo esercizio sono contenuti in Allegato.Prima di rappresentare i risultati della simulazione, è necessario precisare che, volendorappresentare graficamente l’andamento dei costituenti lungo l’asta principale, nellaprocedura grafica sceglieremo come braccio iniziale il braccio 1 e come braccio finale ilbraccio 3. Nel caso in cui si voglia analizzare il grafico relativo all’affluente, braccio inizialee braccio finale coincideranno col braccio 2. In questo modo, infatti, il modello individuaunivocamente la nostra richiesta.In Fig.5.26, mostriamo l’andamento di T, BOD e DO lungo l’asta del fiume Arno.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.26: Andamento dei costituenti simulati nell’esercizio 2, lungo

Notiamo che la concentrazione di ossigeno disciolto, seppure in modo modesto, presental'andamento della tipica curva a sacco, e dopo una prima diminuzione cresce perraggiungere un valore costante, pari a 14 mg/l, all'altezza della foce della Sieve (Km 85). IlBOD decresce dalla foce lungo l'asta secondo una curva esponenziale e in corrispondenzadell’elemento di giunzione, non notiamo alcuna perturbazione in tale andamento, grazie alfatto che le concentrazioni di BOD nell’affluente sono del tutto trascurabili (vedi Fig.5.27).La concentrazione di BOD diventa trascurabile già intorno al Km 50 dell’asta dell’Arno.La temperatura va lentamente aumentando poiché l'acqua proveniente dalla leggermente più calda di quella dell’Arno.Per quanto riguarda la Sieve, osserviamo la Fig.5.27:

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.27: Andamento dei costituenti simulati lungo il corso della Sieve.

Ossigeno disciolto e temperatura mantengono un andamento costante per tutto il corsod'acqua, mentre il BOD, grazie all’assenza di scarichi inquinanti, mostra il caratteristicodecadimento esponenziale.

Le varianti sviluppate per l’esercizio 2 sono:

•• Inquinamento termico e coliformi;

•• Giorno d’estate;

•• Funzionamento dinamico del modello.

Nel seguito, passeremo in rassegna tali varianti, descrivendone i contenuti.

Inquinamento termico e coliformiSupponiamo che lungo l’asta del fiume Arno abbia sede una centrale il cui scarico provochiinquinamento termico. Tale centrale sia posizionata in corrispondenza del decimo elementocomputazionale, all’interno del primo braccio.Supponiamo inoltre di voler simulare, oltre a BOD, DO e T, anche l’andamento dellaconcentrazione dei batteri coliformi (della cui dinamica abbiamo parlato nel Cap.2).Prendiamo in considerazione, come nell’esercizio 2, valori climatologici tipici di unagiornata invernale.

La simulazione ha generato i risultati mostrati in Fig.5.28:

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.28: Andamento di coliformi fecali e temperatura lungo l’asta delfiume Arno.

Osserviamo che la temperatura cresce lungo l'asta principale, in seguito all'immissione diuno scarico a temperatura più elevata (inquinamento termico), ma a valle di questo, sistabilizza su un valore costante. La concentrazione dei coliformi fecali, in seguito alladiluizione dovuta all’ingresso in Arno delle acque della Sieve, diminuisce per poi presentareun picco, in corrispondenza della città di Firenze la quale, sprovvista di impianti didepurazione, sversa in Arno i propri reflui urbani, senza alcun tipo di trattamento.Successivamente, la curva decresce con andamento esponenziale.

Giorno d’estateE’ interessante studiare l’andamento delle stesse grandezze in presenza di una giornatatipica estiva: a differenza di quanto fatto per il primo gruppo di esercizi, in questa sede, oltrea variare il valore della temperatura, ci siamo servite della campagna di misure del Luglio1997 (Provincia di Firenze). I valori numerici di riferimento sono contenuti in Allegato,mentre i risultati della simulazione sono contenuti in Fig.5.29.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.29: Andamento di coliformi e temperatura per il caso “giorno

Notiamo che la temperatura cresce lungo l'asta principale in seguito all'immissione delloscarico a temperatura più elevata e da un valore di circa 19°C, si porta ad un valore dipoco superiore ai 25°C. La concentrazione dei coliformi fecali presenta un picco molto piùelevato rispetto al caso invernale (vedi Fig.5.28), pari a circa 30 UFC/100ml, contro i 15dell’esercizio precedente, in corrispondenza della città di Firenze e successivamentedecresce con andamento esponenziale.Le forti oscillazioni sono legate a perturbazioni nella dinamica del decadimento deicoliformi, (che considera solo la morte dei coliformi stessi), dovute a valori di input forniti almodello e corrispondenti alle misure di qualità effettuate dalla Provincia di Firenze.

Funzionamento dinamico del modelloSupponiamo di voler simulare ancora l’andamento delle concentrazioni di BOD, DO,coliformi e temperatura in una giornata estiva (come per la variante “giorno d’estate”), macon una simulazione dinamica.I valori numerici utilizzati siano gli stessi dell'esempio precedente.Per scegliere di far funzionare il modello in modalità dinamica, all’interno dello schermo unoè necessario selezionare l’opzione “Dynamic”. Questo comporta l’attivarsi di scelte(sempre all’interno dello schermo 1) che nei casi visti in precedenza si presentavano nonaccessibili. I dati da fornire sono elencati nel seguito:

•• Intervallo temporale: 1 ora

•• Durata complessiva della simulazione: 60 ore

•• Intervallo temporale per le tabelle contenenti i risultati: 6 ore

Cap.5: Applicazioni

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Nel funzionamento dinamico del modello, i dati climatologici locali devono essere forniti adintervalli di tempo regolari (in genere, ogni tre ore), in modo da aggiornare gli apporti e leperdite di calore e in modo da simulare l’influenza del sistema idraulico stazionario sullevariazioni di temperatura (contrariamente, con funzionamento statico, l’utente deve fornirevalori medi dei dati climatologici locali.).Tali dati sono contenuti all’interno di un file (presente nella cartella QUAL2E) denominatoDIURNL.CLI. Utilizzando tale file, forniamo al programma i dati con intervalli temporali di3 ore. E’ possibile caricare questo file utilizzando l’opzione IMPORT della barra di menùprincipale.Tale file contiene 20 gruppi di dati di input (ciascuno dei quali contiene i valori di coperturanuvolosa, temperatura di bulbo secco e umido, pressione barometrica e velocità del vento),cioè un gruppo ogni 3 ore, per una durata complessiva di 60 ore.La scelta di utilizzare tale file avviene all’interno dello schermo numero cinque: cosìfacendo, all’interno della schermata numero venti, compaiono automaticamente i valori cheil file stesso contiene.

Dalla simulazione, abbiamo ottenuto il grafico in Fig.5.30, che contiene l’andamento dicoliformi fecali e temperatura lungo l’asta del fiume Arno (si consulti l’Allegato per lavisione dello stesso grafico lungo l’asta della Sieve e per gli andamenti di BOD e DO).

Figura 5.30: Andamento di coliformi e temperatura per il caso

“funzionamento dinamico”.

Sostanzialmente, rispetto al caso stazionario (Fig.5.29), varia solo la dinamica deldecadimento a valle dell’ultimo picco, che non è più esponenziale.

Cap.5: Applicazioni

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Utilizzando il modello in modalità “dynamic”, può essere interessante analizzarel’andamento dei costituenti simulati nel tempo, in una sezione fissata.

Lanciando l'esecuzione del modello, è possibile creare i grafici dei costituenti simulati, allafine delle 60 ore della simulazione, cioè alle ore 12.La Fig.5.31 riporta la porzione del file di output inerente il primo passo della simulazionecon i valori della temperatura calcolati per ogni elemento computazionale:

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.31. Valori di temperatura, calcolati nel primo passo dellasimulazione.

Utilizzando i valori contenuti nell'intero file di output, rappresentiamo graficamentel'andamento della temperatura, dell'ossigeno disciolto e dei coliformi fecali, in uno stessoelemento computazionale, al variare del tempo. Scegliamo, a questo scopo, il secondoelemento computazionale del terzo braccio e, utilizzando i valori del file di output,costruiamo il grafico rappresentato in Fig.5.32:

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.32: Andamento della temperatura nel tempo.

Notiamo che la temperatura massima si ha alle ore 18 del secondo giorno dall'inizio dellasimulazione ed è di 22.47 °C.Osserviamo ora l'andamento dell'ossigeno disciolto sempre nel secondo elemento del terzobraccio (Fig 5.33):

Figura 5.33: Andamento del Do nel tempo.

Cap.5: Applicazioni

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La concentrazione di DO decresce in seguito all'immissione dello scarico a montedell'elemento considerato, per raggiungere un punto di minimo e poi risalire. Il punto diminimo sulla curva corrisponde ad una concentrazione di 7.98 mg/l, come si può osservaredal file di output, e si verifica proprio in concomitanza dell'ora in cui l'acqua è più calda, leore 18.Alle ore 12 dell'ultimo giorno di simulazione, il DO è pari a 8.33 mg/l.In Fig.5.34, riportiamo lo stesso tipo di andamento per i coliformi fecali:

Figura 5.34: Andamento dei coliformi fecali nel tempo.

La curva presenta un massimo di 1.74E+04 No./100ml in corrispondenza delle ore 9 delprimo giorno di simulazione. Successivamente la concentrazione decresce in manieraesponenziale.

Una analisi di questo tipo può essere utile per capire quali siano le ore critiche, nell’arco diuna giornata e per un determinato punto del fiume, relativamente alla concentrazione di unfissato costituente.

1.1.2 Esercizio 2A: Analisi di incertezzaPer svolgere questo esercizio, abbiamo fatto riferimento al file QAL2E002.inp fornitoinsieme al modello, che tratta il caso del fiume Withlacoochee, situato in Florida. I datiutilizzati risalgono al 1984.Il sistema è privo di diramazioni e il tratto di fiume considerato è soggetto sia a scarichi civiliche industriali.La schematizzazione del sistema è mostrata in Fig.5.35.

Cap.5: Applicazioni

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Notiamo che sono presenti due scarichi puntuali, posizionati rispettivamente nel secondoelemento computazionale del terzo braccio e nel primo elemento del quarto.Gli elementi simulati sono temperatura, BOD, alghe, DO, fosforo e azoto.Il bacino è stato suddiviso in 11 bracci e 55 elementi computazionali.

Figura 5.35: Schematizzazione del sistema “ Withlacoochee”, generata dalmodello QUAL2E.

Delle tre possibili opzioni per l’analisi di incertezza, abbiamo scelto la Simulazione MonteCarlo (della quale abbiamo parlato all’interno del Cap.2).Gli schermi dedicati all’analisi di incertezza sono quelli che vanno dal 21 al 24 (vediAppendice).All’interno dello schermo 21, è possibile scegliere:

•• il tipo di analisi da svolgere;

•• il gruppo delle variabili di output per le quali svolgere l’analisi di incertezza;

•• le condizioni di input per l’analisi di incertezza;

•• un file che contenga i valori delle variabili di input e le loro distribuzioni di probabilità(file .VAR).

Cap.5: Applicazioni

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Lo schermo 22 è attivo solo se si sceglie di effettuare una analisi di sensitività.Lo schermo 23 serve per generare il file .VAR, se non ne esiste uno già compilato.Infine, nello schermo 24, è necessario selezionare i punti del bacino nei quali svolgere

All’interno dell’Allegato, sono presenti i grafici relativi a tutti gli elementi simulati.Qui, in Fig.5.36, riportiamo solo l’andamento di BOD, DO e temperatura.

Figura 5.36: Andamento di BOD, DO e temperatura per l’esercizio 2A.

Per quanto riguarda la Simulazione Monte Carlo, analizziamo i risultati relativi all’ossigenodisciolto.In Fig.5.37, riportiamo la parte del file di output contenente i valori dei parametri statistici,relativamente al DO.Il file di output contiene diverse tabelle analoghe, una per ogni elemento di output che si èdeciso di prendere in considerazione.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.37: Grandezze statistiche riferite alla concentrazione di DO.

La tabella è formata da quattro colonne, che corrispondono ai quattro elementicomputazionali per i quali abbiamo scelto di svolgere l’analisi. Osserviamo che i valori dimedia calibrata (Base Mean) e di media simulata (Sim Mean) sono molto simili (ledifferenze sono minori dello 0,5%), segno che il modello spiega bene i dati. La deviazionestandard (Std Dev), invece, cresce nella direzione del flusso, poiché l'ossigeno disciolto, neltratto di fiume considerato, non raggiunge mai il valore di saturazione. Inoltre, questo èanche dovuto al fatto che l'incertezza legata ai valori di input ha un effetto cumulativo nelpropagarsi attraverso il sistema.

Nella figura che segue (Fig.5.38), sono riportati i valori di frequenza e di frequenzacumulata, relativi all'ossigeno disciolto.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.38: Distribuzione di frequenza relativa al DO.

Rappresentiamo graficamente l'andamento della frequenza (Fig.5.39) e della frequenzacumulata (Fig.5.40), per il secondo elemento del secondo braccio, riportandoci ad unintervallo di valori possibili per il DO, cioè ad un intervallo compreso tra il valore minimo(5.254) e il valore massimo(6.477) che esso può assumere.

Cap.5: Applicazioni

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Figura 5.39: Istogramma di frequenza relativo al Do, per il secondoelemento del secondo braccio.

Figura 5.40: Andamento della frequenza cumulata per il Do, nel secondoelemento del secondo braccio.

Cap.5: Applicazioni

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I grafici fanno riferimento ad una distribuzione Normale, ma poiché la concentrazione diossigeno disciolto non può assumere valori negativi, sarebbe meglio utilizzare unadistribuzione Lognormale.Dall'istogramma di frequenza, deduciamo che il valore più probabile per la concentrazionedi DO nel secondo elemento del secondo braccio è circa 5,86 mg/l.Costruendo i grafici relativi agli altri elementi computazionali scelti (che non abbiamoriportato, poiché si tratta di un esercizio proposto), si ottiene che, procedendo verso valle,la dispersione aumenta (cioè la campana descritta dall’istogramma di frequenza si allarga),a causa del già citato effetto cumulativo dell'incertezza.Una analisi di questo tipo può essere utile per stabilire con quale probabilità si possaverificare un certo valore di concentrazione di DO, a fronte di diversi scenari. In altreparole, è possibile, a partire dalla situazione descritta, generare scenari diversi, checontengano, ad esempio, diverse localizzazioni di uno scarico e confrontare gli andamentidelle frequenze cumulate, per poi scegliere l’alternativa per la quale è minore la probabilitàche la concentrazione di DO scenda al di sotto di un valore prefissato.

Cap.6: Conclusioni

1

6

CONCLUSIONI

Lo scopo della nostra tesi era quello di realizzare un corso multimediale sulla qualità delleacque, mediante il programma QUAL2E, per diverse tipologie di utenti.Il risultato è stato l’implementazione di un sito Internet (costituito da otto macro-sezioni,ulteriormente suddivise per argomenti, per un totale di circa 200 documenti html), cheinclude testi, immagini, filmati e audio.

Abbiamo cercato di garantire l’interattività utilizzando diversi strumenti come gli ipertesti checonsentono una lettura non sequenziale delle lezioni, i filmati accompagnati da commentisonori per le spiegazioni relative allo svolgimento degli esercizi, le mappe autoesplicative disupporto alla compilazione dei file di input e i link al glossario e alle altre sezioni del sito perle ulteriori chiarificazioni.Inoltre, la facilità di consultazione è assicurata dalla presenza di barre di navigazione in ognipagina, dalla suddivisione in frame, dall’esistenza degli indici delle diverse sezioni sul latosinistro dello schermo e dall’utilizzo di finestre indipendenti.

Il sito da noi realizzato è stato pensato per rispondere alle esigenze di utenti concaratteristiche diverse, in modo che ognuno possa seguire il suo percorso diapprendimento.A questo scopo abbiamo inserito numerose sezioni, da quella inerente la normativa inmateria di acque, a quella relativa alla modellistica dell’inquinamento fluviale e allarealizzazione di campagne di misura finalizzate, alla parte riguardante i cenni teorici delmodello QUAL2E e le equazioni che vi sono alla base.

Cap.6: Conclusioni

2

In questo modo lo studente meno esperto potrà familiarizzare coi problemi della qualitàdelle risorse idriche per poi affrontare le esercitazioni specifiche del software dell’EPA.Alla stessa maniera l’utente più competente avrà la possibilità di ricercare e consultaresolamente le parti interessate.Sempre per lo stesso scopo, abbiamo organizzato le applicazioni riportandole per difficoltàcrescente e con tutte le spiegazioni del caso, così da permettere al lettore di visualizzarequella più simile al suo caso specifico in modo non sequenziale.

Per quanto riguarda i possibili miglioramenti, il primo potrebbe riguardare uno studio piùapprofondito dell’uso di QUAL2E-UNCAS. Infatti, non disponendo di dati reali, ci siamolimitate ad analizzare l’esempio contenuto all’interno del modello.Sarebbe opportuno sviluppare maggiormente questo argomento, comparando i risultatiottenuti dai diversi tipi di analisi di incertezza possibili (analisi di sensitività, simulazioneMonte Carlo, analisi dell’errore di primo ordine).

Un altro punto cruciale riguarda la stima dei parametri. Il programma non prevede, al suointerno, una procedura di questo tipo. Per sopperire a questa mancanza, abbiamo deciso difare riferimento ai valori di default utilizzati da QUAL2E, poiché la validazione del modellonon era l’obiettivo del nostro lavoro.Sarebbe auspicabile stimare, per ogni caso studiato, il valore più opportuno dei parametri,in modo che il modello riesca a rappresentare meglio la situazione reale.

Infine, rimane ancora aperto il problema più complesso, che è quello della modellizzazione,cioè il passaggio da un problema reale alla sua formulazione matematica.Mentre infatti è chiaro che strumenti come quelli utilizzati nel lavoro (in particolare, immaginie filmati) possono essere di grande aiuto per consentire agli utenti di sviluppareun’esperienza più concreta nella traduzione di un problema in termini modellistici, ilmateriale necessario per questo scopo non è ancora disponibile.Il corso che abbiamo sviluppato si rivolge essenzialmente ad utenti che abbiano una certadimestichezza con equazioni e modelli, nell’ottica di mostrare loro come affrontare unaproblematica specifica mediante l’utilizzo del programma QUAL2E.Sarebbe auspicabile che, a monte del nostro lavoro, venisse sviluppato un sistema che,data la complessità del problema reale nei suoi numerosi aspetti, mostri la logica con cuiscegliere quelli da considerare per giungere ad una formalizzazione matematica. In questomodo, anche utenti non dotati di un bagaglio ingegneristico potrebbero comprendere qualisiano i passi da seguire per passare dalla realtà al modello.Un’esperienza in tal senso è rappresentata dal progetto GAIA (Environmental InformationSystem. GAIA: A multi-media tool for natural resources management and environmentaleducation), che ha portato alla realizzazione un sito Internet (http://www.ess.co.at/GAIA),contenente casi di studio in Paesi in via di sviluppo, affrontati con la logica appena descritta.

Cap.6: Conclusioni

3

Per quanto riguarda le difficoltà della valutazione dei parametri, si potrebbe pensare diaffiancare al modello un sistema esperto.Questi sistemi differiscono dai tradizionali modelli matematici per la loro capacità di trattareinformazioni qualitative, tipiche dei problemi decisionali in campo ambientale (Davis eGuariso, 199). In questo senso, possono essere di grande aiuto agli utenti del modello.La difficoltà nella compilazione dei file di input potrebbe essere risolta disponendo di unsistema che, attraverso una serie di domande qualitative, basate sull’osservazione dellecaratteristiche fisiche del sistema, fornisca un range di possibili valori per lo specificoparametro. Ad esempio, dovendo scegliere un valore per i coefficienti che in QUAL2Elegano la velocità della corrente alla portata, il sistema dovrebbe porre una serie di quesitiinerenti la tipologia di suolo, la pendenza del fondo, la presenza di pozze, il grado diturbolenza e in base alle risposte dell’utente, fornire l’aiuto richiesto (Barnwell et al., 1986).

All’interno di un corso multimediale, un sistema di questo genere potrebbe esserepotenziato attraverso l’uso di filmati. Ad esempio, si potrebbero mostrare fiumi concaratteristiche idrauliche differenti coi relativi valori dei parametri, in modo che per l’utentesia più immediato scegliere il caso più simile alle proprie esigenze.

Bibliografia

1

BIBLIOGRAFIA

Autorità di Bacino del Fiume Arno, Sistema Informativo Territoriale,http://gis.cnuce.cnr.it/adbfa/.

Arrazola Iriarte, E.R. (1999) Application of the stream water quality model QUAL2E,Case study: Choqueyapu river in La Paz, Bolivia, IUPWARE,http://iupware.studentenweb.org/MScThesis.htm.

Barnwell T. O., Brown L. C. and Marek W. (1986) Development of a prototype expertadvisor for the enhanced stream water quality model QUAL2E. Internal Report,US EPA, Athens, GA.

Brown L.C. e Barnwell T.O. (1987) The enhanced stream water quality modelsQUAL2E and QUAL2E-UNCAS: Documentation and User Manual. EPA-600/3-87/007, U.S.Environmental Protection Agency, Athens, GAhttp://www.epa.gov/QUAL2E_WINDOWS/index.html.

California (1994) Water Quality Modeling of the Lower Russian River System UsingQUAL2E, http://www.rmanet.com/lower_russian_river.htm.

Centro METID, Metodi e tecnologie innovative per la didattica, Politecnico di Milano,http://www.metid.polimi.it/.

CommUnico, Corso Universitario on-line, Università degli Studi di Torino, Scienze dellaComunicazione, http://www.forcom.unito.it/communico/.

Cueva Lema, F. P.(1998) QUAL2E stream water quality model case study:Machangara river, Quito, Ecuador. IUPWARE,http://iupware.studentenweb.org/MScThesis.htm.

Davis J. R., Guariso G. (1994) “Expert systems support for environmental decisions"in Environmental Modelling Vol. II (a cura di P. Zannetti), pagg. 325-350,Computational Mechanics Publications, Southampton.

Decreto Legislativo 11 maggio 1999, n.152: Disposizioni sulla tutela delle acquedall’inquinamento e recepimento della direttiva 91/271/CEE concernente il trattamentodelle acque reflue urbane e della direttiva 91/676/CEE relativa alla protezione delle

Bibliografia

2

acque dall’inquinamento provocato da nitrati provenienti da fonti agricole(Supplemento ordinario N.101/L alla G.U. n.124 del 29 maggio 1999).http://www.regione.sicilia.it/lavoripubblici/geniocivilect/5/decreto_legislativo_11_maggio_19.htm.

Decreto Legislativo 18 agosto 2000, n. 258: Disposizioni correttive e integrative deldecreto legislativo 11 maggio 1999, n. 152, in materia di tutela delle acquedall'inquinamento, a norma dell'articolo 1, comma 4, della legge 24 aprile 1998, n. 128(Supplemento ordinario N.153/L alla G.U. n. 218 del 18 settembre 2000).http://www.regione.sicilia.it/lavoripubblici/geniocivilect/5/DLgs_n_258_del_18_08_2000.htm.

Direttiva 91/271/CEE, conce4rnente il trattamento delle acque reflue urbane,http://www.ambiente.regione.lombardia.it/EnergiaParchi/energia_parchi.htm.

Direttiva 91/676/CEE, relativa alla protezione delle acque dall'inquinamento provocato dainitrati provenienti da fonti agricole, http://europa.eu.int/eur-lex/it/lif/dat/1991/it_391L0676.html.

Environmental Protection Agency (1995) QUAL2E Windows Interface User’s Guidehttp://www.epa.gov/QUAL2E_WINDOWS/index.html.

GAIA: Environmental Information System (1995), A Multi-Media Tool for NaturalResources Management and Environmental Education, http://www.ess.co.at/GAIA/.

Gatto M. (1985) Introduzione all’Ecologia delle Popolazioni, Clup, Milano.

Guariso G. [et al.] (1997) 100 programmi per l’ambiente: guida a software, banchedati e siti Internet, CittàStudiEdizioni, Milano.

Guariso G. e Tracanella E. (1995) Hipermodel: an hipermedia guide to environmentalmodels, Proc. Int. Conf. On Environment and Informatics, Budapest, 29 Giugno-1Luglio 95, Pag. 12-19.

Hailu Teame (1996), Application of QUAL2E-UNCAS water quality model to thestudy of Tinishu Akaki stream in Addis Abeba, IUPWARE,http://iupware.studentenweb.org/MScThesis.htm.

LaureaOnLine, Corso di laurea in Ingegneria Informatica, Politecnico di Milano,http://www.laureaonline.it/.

Legge 10 maggio 1976, n. 319 (Legge Merli): Norme per la tutela delle acquedall'inquinamento (G.U. n. 141 del 29 maggio 1976), http://www.econet.it/jura/.

Bibliografia

3

Legge 5 gennaio 1994, n. 36 (Legge Galli): Disposizioni in materia di risorse idriche (Suppl.ord. alla G.U. n.14 del 19 gennaio 1994), http://www.econet.it/jura.

Nardini A., Soncini-Sessa R. e Bacci M. (1990) Inquinamento fluviale: realizzazione euso di modelli matematici, Marsilio Editori, Venezia.

North Dakota (1990), Calibration, Verification, and use of a Water-Quality Model toSimulate Effects of Discharging Treated Wastewater to the Red River of the North atFargo, http://nd.water.usgs.gov/index/abs391.html.

Progetto BASINS, Better Assessment Science Integrating Point and NonpointSources, http://www.tmdl.org/basins/index.htm.

Progetto GREAT-ER, Geography referenced Regional Exposure Assessment Tool forEuropean Rivers, http://hobbes.rug.ac.be/greater/greater.html.

Progetto LIFE Monitoraggio e controllo del fiume Arno nel Comprensorio del Cuoio,http://www.life.cpr.it/homepage.html.

Provincia di Milano, Assessorato all’Ambiente, Settore Ecologia (1993) Indagine sullaqualità delle acque nella Provincia di Milano, aggiornamento al 1993.

Provincia di Milano, (1999), S.I.A.S Sistema Informativo Acque Superficiali,http://www.provincia.milano.it/progettispeciali/acquesuperficiali/sias/sias.htm

Provincia di Firenze, (1997), Qualità e portata dei fiumi della Provincia di Firenze,http://www.provincia.fi.it/ambiente/acqua/portate/01-2.htm.

Rinaldi S., Soncini-Sessa R., Stehfest H. e Tamura H. (1979) Modeling and Control ofRiver Quality, Mc Graw Hill, New York.

SINA – Progetto AQUARIUM – Un Sistema per la Gestione Integrata del Ciclodell’Uso dell’Acqua, http://www.aquarium.infotn.it/.

SINA – Progetto GAIA – Governo dell’Ambiente e Informazione Ambientale,http://www.regione.piemonte.it/ambiente/sina/gaia/.

SINAnet – Rete Nazionale di Informazione in campo Ambientale,http://www.sinanet.anpa.it/.

Slovenia (1999), Calibration of QUAL2E Model for the Sava River,http://www.iwaponline.com/wst/04010/wst040100111.htm.

Smart Planet, http://www.smartplanet.com/.

Bibliografia

4

North Carolina, (1997), Water quality modeling evaluation of the proposed Cary WestWWTP discharge to the Haw and Cape Fear Rivers between Jordan dam andBuckhorn dam, http://www.townofcary.org/depts/pio/wcwwtp/timeline.htm.

Vismara R. (1988) Ecologia Applicata, Hoepli, Milano.

APPENDICE

GLI SCHERMI DI QUAL2E

Appendice

1

APPENDICE

CONTROLLO DELLA SIMULAZIONE

Schermo 1

Appendice

2

SISTEMA IDRAULICO

Schermo 2: bracci

Appendice

3

Schermo 3: elementi computazionali

Appendice

4

VARIABILI GLOBALI

Schermo 4: costituenti simulati

Appendice

5

Schermo 5: dati geografici e climatologici

Appendice

6

Schermo 6: grafici di DO e BOD

Appendice

7

Schermo 7: misure di DO

Appendice

8

Schermo 8: dinamica del ciclo dell'azoto, del fosforo e delle alghe

Appendice

9

Schermo 9: fattori di correzione della temperatura

Appendice

10

DATI FUNZIONALI

Schermo 10: aumento di portata

Appendice

11

Schermo 11: dati idraulici

Appendice

12

Schermo 12: BOD e DO

Appendice

13

Schermo 13: azoto, fosforo e alghe

Appendice

14

Schermo 14: condizioni iniziali del fiume

Appendice

15

Schermo 15: incremento di portata

Appendice

16

Appendice

17

Schermo 16: elementi di sorgente

Appendice

18

Schermo 17: carichi puntuali e prelievi

Appendice

19

Schermo 18: reareazione sulle dighe

Appendice

20

Schermo 19: condizioni al contorno di valle

DATI CLIMATOLOGICI

Appendice

21

Schermo 20

ANALISI DI INCERTEZZA

Appendice

22

Schermo 21

Appendice

23

Schermo22: analisi di sensitività

Appendice

24

Schermo 23: analisi Monte Carlo e dell'errore di primo ordine

Appendice

25

Schermo 24: elementi per l'analisi di incertezza

UN CORSO MULTIMEDIALE SULLA QUALITA’ DELLE ACQUE: IL...

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