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5/10/2018 Diffusione Verticale Degli Inquinanti in Un Orizzonte Acquifero Confinato - slidepdf.com
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Diffusione verticale degli inquinanti in un orizzonteacquifero confinato (Modello di Domenico modificato)
0. Abstract
Nell’analisi di rischio di livello 2, la diffusione degli inquinanti in un orizzonte acquiferoviene simulata utilizzando il modello di Domenico.
In questo modello la diffusione verticale è determinata facendo ricorso alla funzione di erroreerf , il cui argomento è funzione della quota del punto di calcolo, dello spessore della falda e
della distanza dalla sorgente, senza tenere conto del confinamento dell’inquinante all’interno
della falda stessa.Per ovviare a questa limitazione, nell’ambito di alcuni criteri metodologici per l’applicazione
dell’analisi di rischio, viene consigliato di considerare il coefficiente di diffusione verticale
pari ad 1 quando lo spessore della sorgente (Sd) inquinante si approssima allo spessore dellafalda (SF).
In questo modo, che, come vedremo nell’ambito di questa nota, si rivela corretto nello
specifico (S d =S F ), si introduce però una discontinuità forte nel calcolo della concentrazione,
in corrispondenza al passaggio tra S d <S F e S d ≈ S F .Per superare questa discontinuità si propone di modificare il modello di Domenico,
introducendo per la diffusione verticale il concetto di “immagini riflesse”, mutuato daglianaloghi modelli gaussiani di diffusione in atmosfera, in presenza di uno strato limite di
inversione.
1. Modello di Domenico
Per il calcolo della diffusione laterale degli inquinanti in un orizzonte acquifero la maggior
parte dei software utilizzati per eseguire l’analisi di rischio secondo gli standard ASTM – RBCA (Risk Based Corrective Action) fanno ricorso al modello di Domenico, in cui le
concentrazioni di inquinanti sono definite dalla relazione:
(1)CFt CFz CFyCFxC t z y xC ****),,,( 0=
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CFy = coefficiente di attenuazione in direzione orizzontale y ortogonale al flusso
CFz = coefficiente di attenuazione in direzione verticale z
CFt = coefficiente di attenuazione in funzione del tempo t
Più esplicitamente,
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+−= ve
x
x
R x
CFx
α α
λ 4
112exp
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛ −
−
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛ +
= x
y
erf x
y
erf CFy
y
w
y
w S S
α α 2
2
2
2
2
1
(2)
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −−⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ +=
x
z erf
x
z erf CFz
z
d
z
d S S
α α 222
1 3
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡+−
=t R
Rt x R
erfcCFt v
v
v
e x
e
x
e
*2
41**
21
α
α λ
in cui
λ = coefficiente di decadimento dell’inquinanteR = fattore di ritardo dell’inquinante =
t
bd k
θ
ρ +1 con k d fattore di ripartizione suolo/acqua, ρ b
densità del suolo, θ t porosità totale
ve = velocità effettiva dell’acqua =ik
θ
*con k conducibilità idraulica e i gradiente idraulico
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erf(A) = ∫ −
A
t dt e0
2
2π
funzione di errore = - erf(-A) erf(0)=0, erf(∞)=1, erf(-∞)= -1 (fig. 1)
erfc(A) = ∫ ∞
−
A
t dt e22
π = funzione complementare di errore = 1 – erf(A), erfc(0)=1, erfc(∞)=0,
erfc(-∞)=2 (fig. 1)
Fig. 1 – Funzioni di errore
1.1 Fattore CFx1
Il fattore ⎢
⎡
=CFx exp ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎣ ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+− ve
x
x
R x α α
λ 4
112 diminuisce esponenzialmente con la distanza
(fig. 2), dipendendo questa diminuzione in particolare dal coefficiente di biodegrazione (λ) edal fattore di ritardo (R).
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Fig. 2
In assenza di biodegradazione (λ = 0) il fattore CFx si mantiene costantemente pari ad 1.
11.2 Fattore CFt
Il fattore
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+−=
t R
Rt x R
erfcCFt
v
vv
e x
e
xe
*2
41**
2
1
α
α λ
tende asintoticamente verso il valore 1
all’aumentare del tempo t, più o meno rapidamente in funzione del ritardo (R) e della distanza
dalla sorgente (figg. 3a, 3b, 3c)5.
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Fig. 3a
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Fig. 3c
11.3 Fattore CFy
Il fattore⎥
⎢⎢⎢
⎟⎟
⎜⎜⎜ −
−⎟⎟⎟
⎜⎜⎜ +
= y
erf
y
erf CFy
ww S S 22
2
1
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎝
⎛
⎟ ⎠
⎞
⎜⎝
⎛
x x y y α α 22
assume un valore massimo, pari a 1, in
corrispondenza all’intervallo [(x = 0; y/S w = -0.5) - (x = 0; y/S w = 0.5)], diminuisceall’aumentare di x ed è simmetrico rispetto ad y, assumendo, quindi, un valore massimo in
corrispondenza a y = 0 per qualsiasi valore di x (fig.4).
11.4 Fattore CFz
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Fig. 4
Fig. 5
11.5 Applicazione del Modello di Domenico all’Analisi di rischio dilivello 2
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• semplificazione della geometria del sito;
semplificazione delle proprietà fisiche del comp to ambientale attraverso cuimigrazione (es. ipotesi di omogeneità);
• ar avviene la
definizione semplificata della geologia e della idrogeologia del sito;
indipendenza dei parametri di input rispetto alla variabile tempo;
• rappresentazione semplificata dei mecca i trasporto e dispersione.
ono compensate dalla conservatività
ia delle equazioni di fate and transport sia dei parametri inseriti quali input.odello di Domenico, ciò significa fare riferimento
alle condizioni per le quali le concentrazioni di inquinanti risultano maggiori.In particolare, relativamente ai fattori che sono stati esaminati nel dettaglio nei paragrafi
precedenti, si considerano le concentrazioni di inquinante in condizioni stazionarie (t ∞),
sull’asse della dispersione (y = 0) ed al top della falda (z = 0).
Ne deriva che l’equazione che descrive il Modello di Domenico applicato al livello 2
dell’analisi di rischio risulta la seguente:
••
nismi d
Tali approssimazioni insite nell’uso di modelli analitici s
sPer quanto riguarda l’applicazione del m
==∞ ∞→== CFt CFz CFyCFxC xC ****),0,0,( 000
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟ ⎠
x yα
⎟ ⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ +−=
xerf erf
R x
z
d w
e
x
x
S S v α
α α
λ
2*
4*
411
2exp
(3)
maggior valore della dispersività trasversale
Per entrambi i coefficienti (CFy e CFz) l’ipotesi di partenza è che la diffusione
dell’inquinante avvenga in un mezzo omogeneo, indefinitamente esteso sia trasversalmentealla direzione del flusso che verticalmente.
Quest’ipotesi può essere senz’altro accettata, almeno nei limiti di approssimazione che
ompetono al livello 2 dell’analisi di rischio, per la diffusione in direzione trasversale, mentre
Nell’eq. (3) CFx ha l’andamento già visto in fig.2, mentre CFy=0, CFz=0 si comportano come
mostrato in fig. 6.Entrambi decrescono asintoticamente al valore 0, con CFy che diminuisce più velocemente,
sia a causa della diffusione nei due sensi che del
(α y = 6.667*α z ).
c
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Fig. 6
e dologici” o “linee guida” per l’applicazione
comprende il senso di questo suggerimento6, tuttavia una tale scelta provoca una
rte discontinuità in corrispondenza al passaggio tra un’opzione e l’altra.
Tale discontinuità non può essere accettata, tanto più al livello di approssimazione richiesto
dal livello 2 che rende di difficile l’individuazione del punto di passaggio, perché potrebbe
costituire l’elemento discriminante tra un risultato positivo e uno negativo dell’analisi dirischio stessa.
In questa nota si propone, quindi, un adeguamento del Modello di Domenico che tenga conto
dello spessore dell’orizzonte acquifero e modifichi di conseguenza il fattore di diffusioneverticale CFz
7.
In queste condizioni alcuni “criteri m to
dell’analisi di rischio suggeriscono di porre CFz=0 = 1 quando lo spessore della sorgente tende
ad uguagliare lo spessore della falda (S d ≈ S F ) e di utilizzare l’eq. 3 negli altri casi (S d < S F ).
Anche se si
fo
6 La sorgente occupando già in partenza tutto o quasi lo spazio verticale non ha possibilità di diffondersi in
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2. Il fattore CFz modificato
In analogia con il caso del modello gaussiano di diffusione in atmosfera in presenza di unostrato limite di inversione
8, si simula il contenimento dell’inquinante all’interno dell’orizzonte
acquifero mediante una successione di riflessioni al “top” e al “bottom” della falda e,
conseguentemente, ricorrendo all’utilizzo di un numero, potenzialm infinito, di coppie di
sorgenti virtuali riflesse, ciascuna coppia posta a distanza dal top della falda, essendolo spessore della falda e l’ordine della coppia di sorgenti virtuali (fig. 7).
ente
FS*i*2FS i mai
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⎫
⎪⎪⎧ ⎤
⎢⎢⎡
⎜⎛
−⎟ ⎞
⎜⎛ ++ d F erf
S z S ierf
2**2
∑=
⎪
⎪⎪⎪⎪
⎭
⎪⎪⎪⎪⎪
⎬
⎪
⎪⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪
⎨
⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −−−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ +−+
+
⎥⎥⎥⎥
⎦⎢⎢
⎣
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎝
−+⎟ ⎠
⎜⎝
+⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ +=
n
i
bottomSorgenti
z
d F
z
d F
topSorgenti
z
d F
z
z
d
z
d
x
S z S ierf
x
S z S ierf
x
S z S i
x
x
S z erf
x
S z erf CFz
1
_
_
2
**2
2
**2
2
**
2
222
1
4 4 4 4 4 4 4 4 4 34 4 4 4 4 4 4 4 4 21
4 4 4 4 4 4 4 4 4 34 4 4 4 4 4 4 4 4 21
α α
α α
α α (4)
che ha un andamento come quello mostrato in fig. 89.
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Esaminando questa figura si osserva che, sebbene le riflessioni attenuino la ripidità dellecurve, il valore di CFz è ancora massimo in corrispondenza a z=0, cioè al top della falda.
Di conseguenza, per quanto già detto relativamente ai principi di cautela che ispirano il livello
2 dell’analisi di rischio, nel seguito di questo articolo si farà riferimento al valore di CFz=0,
che risulterà dalla seguente equazione:
(5)
3. Andamento del fattore CFz =0 modificato
L’eq. 5 presenta due elementi che potrebbero rendere difficile l’individuazionedell’andamento di CFz=0:
Il numero n di coppie di sorgenti riflesse è potenzialmente infinito, anche se per i grande
il termine tra parentesi quadre tende a 0 e, di conseguenza, la sommatoria ad un valore
d e
∑=
=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ ++
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
n
i z
d F
z
d F
z
d
x
S S ierf
x
S S ierf
x
S erf CFz
1
02
**2
2
**2
2 α α α
•
finito
• Occorre considerare uno spazio tridimensionale di variabilità, legato ai valori di SF, Sx.
Al primo è stata data risposta attraverso una routine10
che calcola CFz attraverso un processoiterativo che determina il contributo di ciascuna coppia di sorgenti riflesse e termina il
processo dopo un numero n di coppie tale che
ε α α
<⎤⎡ ⎞⎛ − ⎞⎛ + ⎞⎛
⎟⎟ ⎠ ⎞⎜⎜
⎝ ⎛ −−⎟⎟
⎠ ⎞⎜⎜
⎝ ⎛ +
1 **2**2
2**2
2**2
n
z
d F
z
d F
S S iS S iS
xS S nerf
xS S nerf
α α α ⎥
⎥⎦⎢
⎢⎣
⎟⎟
⎠⎜⎜
⎝ −
⎟⎟
⎠⎜⎜
⎝ +
⎟⎟
⎠⎜⎜
⎝ ∑
1 222 i z
d F
z
d F
z
d
xerf
xerf
xerf
−
=
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Al secondo si è fatto fronte ricorrendo al principio di similitudine; infatti, utilizzando per la
dispersività longitudinale l’equazione di Pikens e Grisak (vedi nota 4), la (5) viene cosìmodificata:
=
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤⎢⎡ ⎞
⎜⎜⎛
⎟⎟ ⎞
⎜⎜⎛
+⎟⎟ ⎞
⎜⎜⎛
n S S iS 2**2
⎢⎢
⎜⎜
⎟⎟
⎜⎜
⎟⎟
⎜⎜=
i x x x
1 222
01.0
21.0
21.0
2
⎢
⎣
⎟⎟⎟⎟
⎠⎝
−−
⎠⎝
+
⎠⎝
= ∑=
d F d F d S S ierf erf erf
20
**
2020
CFz
∑
∑
∑
=
=
=
⎥⎥
⎦⎢⎢
⎣⎟⎟
⎠⎜⎜
⎝ ⎟⎟
⎠⎜⎜
⎝ ⎟⎟
⎠⎜⎜
⎝ i x x x 1
200
2
200
2
200
2
⎥⎟⎥⎟⎥⎥⎟
⎦ ⎠2
⎤ ⎞
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡ ⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛ +
+
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
=
=⎥⎥⎥
⎥
⎦⎢⎢⎢
⎢
⎣⎟⎟⎟
⎠
⎜
⎜
⎝
−⎟⎟⎟
⎟
⎠⎜⎜⎜
⎜
⎝
+⎟⎟
⎠⎜⎜
⎝
=
=⎥⎥⎤
⎢⎢⎡
⎟⎟ ⎞
⎜⎜⎛
−−⎟
⎟ ⎞
⎜⎜⎛
++⎟
⎟ ⎞
⎜⎜⎛
n
i
i
F
F
F
F
F
F
nd F d F d
r
r
r
r r i
erf erf
S
x
S i
erf
S
x
S i
erf
S
xerf
S S ierf
S S ierf
S erf
1
1
2
1
2
1
1
2
2
*
200
2
*2
200
2
200
*2
200
2
*2
200
2
**2**2
(6)
in cui
⎟
⎜⎜⎜ 2⎜
⎝
⎛ − r i
− e
⎟⎟⎟⎟
⎠r
f
00
abilità diventa bidim
d ≤ F ), m
∞, i pratica può ess
di C z ,=0 ella orma espressa dall’eq. (6) e nello spazio
d t t
=
⎤⎡⎟ ⎞⎛
− ⎞⎛
+
⎟
⎟ ⎞
⎜
⎜⎛
n
d d d S S
S
S
⎜⎜ 2
F
d
S
S r =1
e F S
xr =
2
Con le notazioni dell’eq. (6), lo spazio di vari ensionale ed, inoltre, la
variabile r1 assume valori compresi tra 0 ed 1 (S S entre si osserva che la variabile r 2,
che teoricamente può andare da 0 ad n ere analizzata nell’intervallo 0÷20,
poiché la CFz=0 tende in tutti casi ad un valore asintotico che raggiunge sempre per valori r 2<20.
I risultati dell’analisi dell’andamento F n f
(0 ≤ r1 ≤ 1, 0 ≤ r 2 ≤ 20) sono mostrati in fig. 9 e tabellati in allegato.L’ d ll fi 9 t h il ffi i t CF t d 1
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Fig. 9
Questa conclusione è confermata dall’esame dei risultati ottenuti calcolando il valore di CFz a
varie profondità13
relativamente al top della falda (r3 = z/SF = 0.5 in fig. 10, r3 = z/SF = 1.0 in
fig. 11, r1 = Sd/SF = 0.2 in fig. 12).
E’ immediato osservare, infatti, come i valori di CFz tendano asintoticamente al valore
corrispondente al rapporto r1 (figg. 10-11) e, per un raporto r1 costante, a tutte le quote CFzconverga verso lo stesso valore (fig.14), sempre coincidente con r1.
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Fig. 10
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Fig. 12
Estensione del principio di similitudine al caso di dispersività funzione non direttamente proporzionale alla distanza.
L’eq. (6) è stata costruita a partire dal calcolo della dispersività longitudinale
l’equazione di Pickens e Grisak (vedi nota proporzionale alla distanza x dalla sorgente.
Nel caso che si faccia uso di altre equazioni (X
dispersività non è direttamente proporzionale alla distanza (fig. 13), le semsono all’origine dell’eq. (6) non sono più valide14
conclusioni a cui si è giunti esaminando l’andame
ricorrendo al principio di similitudine, non siano valide nel caso generale. Naturalmente le cose non stanno in questi term
distanza equivalente xe, al posto della distanza reale
4.
αx secondo
4), in cui la dispersività è direttamente
u e Eckstein, Gelhar et al., …) in cui la
plificazioni chee, quindi, potrebbe sembrare che le
nto di CFz, con le semplificazioni poste
ini; infatti, utilizzando in questi casi una
x, si ricade all’interno delle
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Fig. 13
Di conseguenza, fatte salve le osservazioni s
riportate nel precedente paragrafo hanno validità generale.
La distanza equivalente xe è calcolata mediante la seguente equazione:
x x x x x x e xeee
G P x x e α α α
1020
1.0
2020
22)&( ⇒=⇒==
In fig. 14 e in tab. 1 è riportata la distanza equivalente calcolata per x diverse, relativam
opra svolte, le considerazioni e le conclusioni
x x x z α α 10== (7)
alle equazioni di [Pickens e Grisak], [Xu e Eckstein] e [Gelhar et al.]Utilizzando le distanze equivalenti per il calcolo di r2= xe/SF, si può usare l’abaco in allegato
per calcolare CFz=016
.
ente
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Fig. 14
X P & G X & E G & al
0.00 0.00 0.00 0.00
10.00 10.00 9.11 9.03
20.00 20.00 17.70 19.92
30.00 30.00 25.27 30.98
40.00 40.00 32.18 41.99
50.00 50.00 38.62 52.89
60.00 60.00 44.70 63.63
70.00 70.00 50.49 74.23
80.00 80.00 56.03 84.67
90.00 90.00 61.36 94.96
100.00 100.00 66.51 105.11
110.00 110.00 71.50 115.12
120.00 120.00 76.35 124.99
130.00 130.00 81.08 134.74
140.00 140.00 85.69 144.36
150.00 150.00 90.19 153.87
160.00 160.00 94.60 163.26
170.00 170.00 98.92 172.54
180.00 180.00 103.15 181.72
190.00 190.00 107.31 190.80
200.00 200.00 111.40 199.78
210.00 210.00 115.42 208.66220.00 220.00 119.38 217.46
230.00 230.00 123.28 226.17
240.00 240.00 127.12 234.79
250.00 250.00 130.91 243.33
260.00 260.00 134.65 251.80
270.00 270.00 138.34 260.18
280.00 280.00 141.98 268.49
290.00 290.00 145.58 276.73
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Diffusione degli inquinanti in un orizzonte (sezioni verticali).
A conclusione di questa nota è riportata in fig. 15 la sezione con il
modello di Domenico modificato, qui proposto, per una sorgente di spessore verticale S d=0 F=SW = 5
metri, un inquinante privo di degradazione (λ=0; CFx=1) e un coefficiente di dispersività o tr osti (nota
4).Il calcolo è stato eseguito tramite computer, utilizzando l’abaco in Allegato, opportunam
equivalenti.
Come risulta dall’osservazione della fig. 15, i risultati appaiono del tutto verosim ediscusso nei paragrafi precedenti.
Nelle figg. 16 e 17 sono, invece, riportate le variazioni percentuali di concentrazione, calcolate confrontando i risultati del modello
di Domenico modificato con quelle del modello di Domenico standard e corretto (vedi nota 7).
Si osservano (fig. 16), per qualsiasi legge di dispersività considerata, variazioni dell’ordine del 100% al bottom ld adistanze modeste dalla sorgente, mentre al top della falda tali variazioni sono raggiunte solo a distanze più elevate, tanto m ri
quanto minore è il coefficiente di dispersività considerato.
Per quanto riguarda l’applicazione del modello di Dome
spessori degli acquiferi (vedi nota 7), la fig. 17 mostra, a partire da distanze x>x’, variazioni u r a c tee in aumento verso il “bottom” dell’acquifero.
Infatti la correzione proposta non tiene conto del confinamento dell’inquinante all’interno dell m m e ne bloccala diffusione per distanze sufficientemente grandi da ipotizzare che l’inquinante abbia raggiunto la parte inferiore dell’acquifero.
Ne consegue un andamento stratificato delle concentrazioni, che risultano decrescenti con la p tà
Naturalmente, in entrambi i casi, più ci si allontana dalla sorgente più aumenta la variazione p al
acquifero con il modello di Domenico modificato
verticale longitudinale assiale (y=0) della diffusione calcolata
.2*SF,
αx calc
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nico con la correzione proposta dallo stesso autore nel caso di piccoli
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17 Nelle figure la distanza orizzontale max è posta = 20*SF.
5.
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Fig. 15
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Fig.16
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Fig. 17
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del principio delle
so
) in modo da tenere
In
• e
to tra spessore delladei coefficienti di
sore della falda18
• ispersività funzioni
uivalenti converge-8
)
Il o l’uso dell’abaco
ine DLL messa a
n el sito indicato nella
6. Conclusioni
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orizzonti acquiferi di qualsiasi spessore, superando le approssimazioni delle equazioni del
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standard che in forma corretta (nota 7
particolare la modifica proposta al modello di Domenico dimostra che
per distanze sufficientemente grandi si ha un perfetto m scolamento dell’inquinante sullaverticale
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calcolo del coefficiente CFz modificato può realizzarsi sia attravers
allegato, con le modalità descritte nel § 4, che utilizzando la rout
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.
one, con le relative spiegazioni riguarda ti la sua utilizzazione, n
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ALLEGATO
ABACO COEFFICIENTE CFZ=0
realizzato considerando il coefficiente di dispersività calcolato
secondo l’equazione di Pickens & Grisak [αx = 0.1x]
per altre equazioni di dispersività usare le distanze equivalenti x e
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