(a.a. 2012/13, 6 crediti 60 ore) Processi di dispersione di
inquinanti nellambiente Fondamenti e processi nei corpi idrici
superficiali Marco Toffolon e-mail:
[email protected]@ing.unitn.it Laboratorio
Didattico di Modellistica Idrodinamica (2 piano, corridoio
centrale) tel.: 0461 88 2480 Processi nei corpi idrici sotterranei
Bruno Majone e-mail:
[email protected]@ing.unitn.it
Slide 2
Obiettivi del corso Dal Regolamento del corso di laurea: Il
corso finalizzato all'acquisizione delle conoscenze necessarie alla
comprensione del destino dei contaminanti nei corpi idrici
superficiali e sotterranei e nellatmosfera. Esso fornisce gli
strumenti necessari allanalisi della propagazione dei contaminanti,
al monitoraggio degli stessi ed alla scelta delle tecniche di
bonifica. Lallievo verr guidato alla comprensione ed alla
valutazione quantitativa dei processi di trasporto dei
contaminanti, alla scelta delle tecniche di monitoraggio ed allo
screening delle metodologie di bonifica. Alla fine del corso
lallievo sar in grado di comprendere e valutare criticamente il
complesso di analisi e scelte progettuali che portano alla
definizione di piani di monitoraggio ambientale e ai progetti di
bonifica di corpi idrici contaminati.
Slide 3
1. Introduzione ai processi di diffusione e dispersione in
ambiente (15 ore) 2. Dispersione di inquinanti nei corsi d'acqua e
nei corpi idrici superficiali (20 ore) Fenomenologia: campo vicino,
intermedio, lontano; soluti reattivi Stima dei parametri
significativi Modelli gaussiani: stima della concentrazione, stima
della distanza di mescolamento, effetto della posizione dello
scarico sul processo di diluizione Modelli numerici per la
dispersione longitudinale: modello ADZ, modello ADE (effetto delle
zone di espansione), modello lagrangiano Applicazione a casi reali
e confronto fra diversi metodi di stima della concentrazione 3.
Dispersione di inquinanti nei corpi idrici sotterranei (25 ore)
ing. Bruno Majone Contenuti del corso ~60 ore
Slide 4
Appunti del corso. Dispense del corso di Idraulica ambientale:
1) G. Seminara, M. Tubino, Fondamenti sulla diffusione e
dispersione di traccianti passivi, Dispense del corso, Universit di
Genova, a.a. 1995/96. 2) G. Seminara, M. Tubino, Appunti di
idraulica ambientale, Dispense del corso, Universit di Trento, a.a.
2004/05. 3) M. Toffolon, G. Vignoli, Esercizi di idraulica
ambientale, Dispense del corso, Universit di Trento, a.a. 2004/05.
Per approfondimenti: 4) P. Zannetti, Pollution Modeling: theories,
computational methods and available software 5) R. Sozzi, T.
Georgiadis, M. Valentini, Introduzione alla turbolenza atmosferica,
Pitagora Editrice, Bologna, pp. 525, 2002 6) J.L. Martin, S.C.
McCutcheon, Hydrodynamic and transport for water quality modeling,
LewisPublishers CRC Press 7) Fischer H.B., Koh J., List J.,
Imberger J., Brooks H., Mixing in Inland and Coastal Waters,
Academic Press, New York, 1988. 8) Rutherford J.C., River Mixing,
John Wiley & Sons, Chichester, 1994. Bibliografia (acqua &
aria) Dispense del corso di Mixing and Transport in the Environment
di S. Socolofsky e G. Jirka
(http://ceprofs.tamu.edu/ssocolofsky/CVEN489/index.htm)
Slide 5
Appunti del corso. Dispense del corso di Idraulica ambientale:
1) G. Seminara, M. Tubino, Fondamenti sulla diffusione e
dispersione di traccianti passivi, Dispense del corso, Universit di
Genova, a.a. 1995/96. 2) G. Seminara, M. Tubino, Appunti di
idraulica ambientale, Dispense del corso, Universit di Trento, a.a.
2004/05. 3) M. Toffolon, G. Vignoli, Esercizi di idraulica
ambientale, Dispense del corso, Universit di Trento, a.a. 2004/05.
Per approfondimenti: 4) Fischer H.B., Koh J., List J., Imberger J.,
Brooks H., Mixing in Inland and Coastal Waters, Academic Press, New
York, 1988. 5) Rutherford J.C., River Mixing, John Wiley &
Sons, Chichester, 1994. 6) S.A. Socolofsky & G.H. Jirka,
dispense del corso Special Topics on Mixing and Transport in the
Environment, Texas A&M University, 2005. Bibliografia a lezione
fotocopie in copisteria in biblioteca dove? pdf sul sito:
http://www.ing.unitn.it/~toffolon/ (Materiale didattico) sul web
link sul sito: http://www.ing.unitn.it/~toffolon/ (Materiale
didattico)
Slide 6
Un caso emblematico 21/04/2010
http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/event.php?id=43733
Marea nera nel Golfo del Messico
http://fastfreenews.com/wp-content/uploads/2010/06/gulf-oil-spill1.jpg
Slide 7
25/04/2010
Slide 8
01/05/2010
Slide 9
09/05/2010
Slide 10
17/05/2010
Slide 11
24/05/2010
Slide 12
12/06/2010
Slide 13
19/06/2010
Slide 14
Il succo del corso 1.la massa si conserva 2.la concentrazione
tende a diminuire finch la massa occupa tutto lo spazio disponibile
in modo uniforme 1 2 3 soluto passivo, tracciante campo di moto
concentrazione: diffusione (eccezione: soluti reattivi Idraulica
ambientale 2)
Slide 15
Contenuti del corso Nozioni introduttive. Diffusione
molecolare. Diffusione turbolenta. Dispersione negli alvei
naturali: - variabilit verticale della velocit; - variabilit
trasversale della velocit. Soluti reattivi (cenni) Equazione di
convezione-diffusione: - 1D, 2D, 3D; - condizioni al contorno; -
metodo delle sorgenti immagine; - fasi del mescolamento negli alvei
naturali; - soluzioni. Problemi pratici: - scarichi accidentali; -
scarichi continui; - inquinamento; - qualit delle acque.
Slide 16
La diffusione Il flusso diffusivo opera contro il gradiente di
concentrazione legge di Fick (1855) 200 palline, probabilit di
muoversi 0.2, scatole singole Giustificazione fenomenologia:
spostamento casuale a destra o a sinistra N passi (tempo)
Slide 17
Caratteristiche dei processi diffusivi 1 2 3 Dimensione
caratteristica della nuvola L(t 1 ) L(t 3 ) L(t 2 ) Soluzione
gaussiana autosimilare con varianza (1D, in un dominio infinito)
68.3% 2 95.5% 3 99.7% massa compresa tra gli estremi:
Slide 18
esperimenti numerici concetti importanti: - media e varianza
(discreta, ponderata, continua) - distribuzione normale (gaussiana)
e sue propriet - teorema del limite centrale - come misurare il
coefficiente di diffusione? strumenti: - fortran (o altri linguaggi
di programmazione di basso livello) - matlab (per grafici o codici
scritti in un linguaggio di alto livello) - maple (analisi
simbolica)
Slide 19
Come un fenomeno convettivo diventa diffusivo Turbolenza (moto
convettivo caotico) Diffusione turbolenta (propriet del campo di
moto, e non del fluido) per tempi sufficientemente lunghi (maggiori
della scala integrale della turbolenza) Moto convettivo non
uniforme + diffusione ortogonale al moto Dispersione (meccanismo
combinato) per tempi sufficientemente lunghi (maggiori della scala
caratteristica della diffusione ortogonale) Oscillazioni termiche
Diffusione molecolare (propriet di sostanza-fluido) valori
tipicivalori tipici in acqua ~ 10 -5 cm 2 /s = 10 -9 m 2 /s in aria
~ 10 -5 m 2 /s
Slide 20
Dispersione: descrizione fenomenologica Modello lagrangiano:
segue le particelle componente deterministica (campo di moto
assegnato) componente casuale (turbolenza o oscillazione termica) y
u(y) moto convettivo non uniforme distorce la nuvola lungo x x
diffusione ortogonale ricompatta la nuvola lungo y dispersione
diffusione incrementata lungo x
Slide 21
concentrazione C(x) particelle nel dominio x,y C(y) zoom x y
particelle Simulazione numerica x y
Slide 22
Mescolamento in alvei naturali ip. alveo largo, acqua bassa
(B>>Y) z y B Y il mescolamento verticale molto pi rapido del
mescolamento trasversale Fasi del mescolamento scarico mescolamento
verticale completato mescolamento trasversale completato campo
vicino: modello 3D, diffusione turbolenta (e molecolare) campo
intermedio: modello 2D (mediato sulla verticale), dispersione e
diffusione turbolenta (e molecolare) campo lontano: modello 1D
(mediato sulla sezione), dispersione (e diffusione turbolenta e
molecolare)
Slide 23
importanza dei bilanci di massa concetti importanti: - bilanci
integrali (0D) - flusso diffusivo e convettivo - portata massica
esempi: - mescolamento tra due fiumi - scarico in un lago (con e
senza emissari); cosa succede con soluti reattivi? - analogia con
lequazione del calore (es. parete vs. muro-finestra)
Slide 24
Galleria di immagini
Slide 25
scarico puntuale 1 Scarico di un refluo in acque costiere. Il
pennacchio si colloca in uno strato sottile. Al momento in cui
stata presa limmagine, la corrente media stava trasportando lo
scarico al largo.
Slide 26
scarico puntuale 2 Tracciante rilasciato alla bocca di un fiume
che entra in un estuario. Si pu vedere chiaramente come la
struttura di piccola scala del pennacchio interagisce con la
turbolenza dellambiente e la natura lenta della diffusione
trasversale.
Slide 27
scarico puntuale 3a direzione del flusso Tracciante rilasciato
in un fiume. Il mescolamento verticale viene raggiunto molto
velocemente (a distanza di circa 10 volte la profondit); il
mescolamento trasversale molto pi lento.
Slide 28
scarico puntuale 3b Le curve incrementano fortemente il
mescolamento trasversale a causa delle correnti secondarie.
Slide 29
scarico puntuale 4 Scarico di un impianto chimico (Alpenrhein,
Germania). La fotografia mostra chiaramente la crescita trasversale
lenta del pennacchio. Scarichi intensi e cos chiaramente visibili
non sono pi ammessi dalla normativa.
Slide 30
scarico puntuale 5 La fotografia mostra due scarichi separati
(Alpenrhein, Germania). In basso a sinistra, vicino al ponte, uno
scarico di colore chiaro; al centro uno scarico di colore pi scuro.
Grazie alle circolazioni trasversali nel fiume (curva), lo scarico
chiaro di diffonde rapidamente sulla destra, rendendo visibile lo
scarico scuro.
Slide 31
confluenza 1 Confluenza di due fiumi (Hochrhein e Aare,
Germania). Il mescolamento delle acque dei due fiumi reso visibile
dalla maggior concentrazione di sedimenti del fiume sulla
destra.
Slide 32
confluenza 2 Confluenza di tre fiumi: a sinistra, con una
concentrazione molto alta di particolato; al centro con una
concentrazione intermedia; a destra (pi scuro), pi pulito. Contorni
ben definiti separano di diversi flussi. [Inn a sinistra, Danubio
al centro, Passau DE]
Slide 33
Diffusore sottomarino
Slide 34
Un caso concreto: Un caso concreto: Scarico accidentale in un
corso dacqua
Slide 35
Fasi del problema rio Sorne fase 2: confluenza fase 1: mixing
nel rio Sorne fase 3: mixing nellAdige fase 4: cosa succede a
valle? fiume Adige scarico massa M