(a.a. 2012/13, 6 crediti – 60 ore)

Processi di dispersione di inquinanti nell’ambiente

Fondamenti e processi nei corpi idrici superficialiMarco Toffolone-mail: marco.toffolon@ing.unitn.itLaboratorio Didattico di Modellistica Idrodinamica(2° piano, corridoio centrale)tel.: 0461 88 2480

Processi nei corpi idrici sotterraneiBruno Majonee-mail: bruno.majone@ing.unitn.it

Obiettivi del corso

Dal Regolamento del corso di laurea:

“Il corso è finalizzato all'acquisizione delle conoscenze necessarie alla comprensione del destino dei contaminanti nei corpi idrici superficiali e sotterranei e nell’atmosfera. Esso fornisce gli strumenti necessari all’analisi della propagazione dei contaminanti, al monitoraggio degli stessi ed alla scelta delle tecniche di bonifica. L’allievo verrà guidato alla comprensione ed alla valutazione quantitativa dei processi di trasporto dei contaminanti, alla scelta delle tecniche di monitoraggio ed allo screening delle metodologie di bonifica. Alla fine del corso l’allievo sarà in grado di comprendere e valutare criticamente il complesso di analisi e scelte progettuali che portano alla definizione di piani di monitoraggio ambientale e ai progetti di bonifica di corpi idrici contaminati.”

1. Introduzione ai processi di diffusione e dispersione in ambiente (15 ore) 2. Dispersione di inquinanti nei corsi d'acqua e nei corpi idrici superficiali (20 ore) · Fenomenologia: campo vicino, intermedio, lontano; soluti reattivi· Stima dei parametri significativi · Modelli gaussiani: stima della concentrazione, stima della distanza di mescolamento, effetto della posizione dello scarico sul processo di diluizione · Modelli numerici per la dispersione longitudinale: modello ADZ, modello ADE (effetto delle zone di espansione), modello lagrangiano · Applicazione a casi reali e confronto fra diversi metodi di stima della concentrazione 3. Dispersione di inquinanti nei corpi idrici sotterranei (25 ore) · ing. Bruno Majone

Contenuti del corso

~60 ore

Appunti del corso.

Dispense del corso di Idraulica ambientale:1) G. Seminara, M. Tubino, Fondamenti sulla diffusione e dispersione di traccianti passivi, Dispense del corso, Università di Genova, a.a. 1995/96.2) G. Seminara, M. Tubino, Appunti di idraulica ambientale, Dispense del corso, Università di Trento, a.a. 2004/05.3) M. Toffolon, G. Vignoli, Esercizi di idraulica ambientale, Dispense del corso, Università di Trento, a.a. 2004/05.

Per approfondimenti:4) P. Zannetti, Pollution Modeling: theories, computational methods and available software5) R. Sozzi, T. Georgiadis, M. Valentini, Introduzione alla turbolenza atmosferica, Pitagora Editrice, Bologna, pp. 525, 20026) J.L. Martin, S.C. McCutcheon, Hydrodynamic and transport for water quality modeling, LewisPublishers CRC Press7) Fischer H.B., Koh J., List J., Imberger J., Brooks H., Mixing in Inland and Coastal Waters, Academic Press, New York, 1988.8) Rutherford J.C., River Mixing, John Wiley & Sons, Chichester, 1994.

Bibliografia (acqua & aria)

Dispense del corso di Mixing and Transport in the Environment di S. Socolofsky e G. Jirka (http://ceprofs.tamu.edu/ssocolofsky/CVEN489/index.htm)

Appunti del corso.

Dispense del corso di Idraulica ambientale:1) G. Seminara, M. Tubino, Fondamenti sulla diffusione e dispersione di traccianti passivi, Dispense del corso, Università di Genova, a.a. 1995/96.2) G. Seminara, M. Tubino, Appunti di idraulica ambientale, Dispense del corso, Università di Trento, a.a. 2004/05.3) M. Toffolon, G. Vignoli, Esercizi di idraulica ambientale, Dispense del corso, Università di Trento, a.a. 2004/05.

Per approfondimenti:4) Fischer H.B., Koh J., List J., Imberger J., Brooks H., Mixing in Inland and Coastal Waters, Academic Press, New York, 1988.5) Rutherford J.C., River Mixing, John Wiley & Sons, Chichester, 1994.

6) S.A. Socolofsky & G.H. Jirka, dispense del corso Special Topics on Mixing and Transport in the Environment, Texas A&M University, 2005.

Bibliografiaa lezione

fotocopie in copisteria

in biblioteca

dove?

pdf sul sito: http://www.ing.unitn.it/~toffolon/ (“Materiale didattico”)

sul weblink sul sito: http://www.ing.unitn.it/~toffolon/ (“Materiale

didattico”)

Un caso emblematico

21/04/2010

http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/event.php?id=43733

Marea nera nel Golfo del Messico

http://fastfreenews.com/wp-content/uploads/2010/06/gulf-oil-spill1.jpg

25/04/2010

01/05/2010

09/05/2010

17/05/2010

24/05/2010

12/06/2010

19/06/2010

Il “succo” del corso

1. la massa si conserva

2. la concentrazione tende a diminuire finché la massa occupa tutto lo spazio disponibile in modo uniforme

1 2 3

“soluto passivo”, “tracciante”

campo di moto

0dtdM

VMC

concentrazione:

“diffusione”

(eccezione: soluti reattivi Idraulica ambientale 2)

Contenuti del corso• Nozioni introduttive.

• Diffusione molecolare.

• Diffusione turbolenta.

• Dispersione negli alvei naturali:

- variabilità verticale della velocità;

- variabilità trasversale della velocità.

• Soluti reattivi (cenni)Equazione di convezione-diffusione: - 1D, 2D, 3D; - condizioni al contorno; - metodo delle sorgenti immagine;- fasi del mescolamento negli alvei

naturali;- soluzioni.

Problemi pratici:- scarichi

accidentali;- scarichi

continui;- inquinamento;- qualità delle

acque.

La diffusioneIl flusso diffusivo opera contro il gradiente di concentrazione legge di Fick

(1855)CD

200 palline, probabilità di muoversi 0.2, scatole singole

Giustificazione fenomenologia: spostamento casuale a destra o a sinistra

N passi (tempo)

Caratteristiche dei processi diffusivi

1 2 3Dimensione caratteristica della nuvola

L(t1)

L(t3)L(t2)

DttL )(

Soluzione gaussiana autosimilare

2

2

21 2exp

2

xMxC D

con varianza Dt22

(1D, in un dominio infinito)

± 68.3%±2 95.5%±3 99.7%

“massa” compresa tra gli

estremi:

esperimenti numerici

concetti importanti:- media e varianza (discreta, ponderata, continua)- distribuzione normale (gaussiana) e sue proprietà- teorema del limite centrale- come misurare il coefficiente di diffusione?

strumenti:- fortran (o altri linguaggi di programmazione di basso

livello)- matlab (per grafici o codici scritti in un linguaggio di alto

livello)- maple (analisi simbolica)

Come un fenomeno convettivo diventa diffusivo…

Turbolenza (moto convettivo “caotico”)Diffusione turbolenta

(proprietà del campo di moto, e non del fluido)

per tempi sufficientemente lunghi(maggiori della scala integrale della turbolenza)

Moto convettivo non uniforme+ diffusione ortogonale al moto

Dispersione(meccanismo combinato)

per tempi sufficientemente lunghi(maggiori della scala caratteristica della diffusione ortogonale)

Oscillazioni termiche Diffusione molecolare(proprietà di sostanza-fluido)valori tipici in acqua ~ 10-5 cm2/s = 10-9 m2/s

in aria ~ 10-5 m2/s

Dispersione: descrizione fenomenologica

Modello lagrangiano: segue le particelle

componente deterministica(campo di moto assegnato)

componente casuale(turbolenza o oscillazione termica)

y

u(y)

moto convettivo non uniforme distorce la nuvola lungo x

xdiffusione ortogonale “ricompatta” la nuvola lungo y

dispersione “diffusione” incrementata lungo x

concentrazione C(x)

particelle nel dominio x,y

C(y) zoom

zoom

x

y

particelle

Simulazione numerica

x

y

Mescolamento in alvei naturali

ip. alveo largo, acqua bassa (B>>Y)

z

y

B

Yil mescolamento verticale è molto più rapido del mescolamento trasversale

Fasi del mescolamento

scaricomescolamento verticale completato

mescolamento trasversale completato

campo vicino: modello 3D, diffusione turbolenta (e molecolare)

campo intermedio: modello 2D (mediato sulla verticale), dispersione e diffusione turbolenta (e molecolare)

campo lontano: modello 1D (mediato sulla sezione), dispersione (e diffusione turbolenta e molecolare)

importanza dei bilanci di massa

concetti importanti:- bilanci integrali (0D)- flusso diffusivo e convettivo- portata massica

esempi:- mescolamento tra due fiumi- scarico in un lago (con e senza emissari); cosa succede con soluti

reattivi?- analogia con l’equazione del calore (es. parete vs. muro-finestra)

Galleria di immagini

scarico puntuale 1

Scarico di un refluo in acque costiere. Il pennacchio si colloca in uno strato sottile. Al momento in cui è stata presa l’immagine, la corrente media stava trasportando lo scarico al largo.

scarico puntuale 2

Tracciante rilasciato alla bocca di un fiume che entra in un estuario. Si può vedere chiaramente come la struttura di piccola scala del pennacchio interagisce con la turbolenza dell’ambiente e la natura lenta della diffusione trasversale.

scarico puntuale 3a

direzione del flusso

Tracciante rilasciato in un fiume. Il mescolamento verticale viene raggiunto molto velocemente (a distanza di circa 10 volte la profondità); il mescolamento trasversale è molto più lento.

scarico puntuale 3b

Le curve incrementano fortemente il mescolamento trasversale a causa delle correnti secondarie.

scarico puntuale 4

Scarico di un impianto chimico (Alpenrhein, Germania). La fotografia mostra chiaramente la crescita trasversale lenta del pennacchio. Scarichi intensi e così chiaramente visibili non sono più ammessi dalla normativa.

scarico puntuale 5

La fotografia mostra due scarichi separati (Alpenrhein, Germania). In basso a sinistra, vicino al ponte, uno scarico di colore chiaro; al centro uno scarico di colore più scuro. Grazie alle circolazioni trasversali nel fiume (curva), lo scarico chiaro di diffonde rapidamente sulla destra, rendendo visibile lo scarico scuro.

confluenza 1

Confluenza di due fiumi (Hochrhein e Aare, Germania). Il mescolamento delle acque dei due fiumi è reso visibile dalla maggior concentrazione di sedimenti del fiume sulla destra.

confluenza 2

Confluenza di tre fiumi: a sinistra, con una concentrazione molto alta di particolato; al centro con una concentrazione intermedia; a destra (più scuro), più pulito. Contorni ben definiti separano di diversi flussi. [Inn a sinistra, Danubio al centro, Passau DE]

Diffusore sottomarino

Un caso concreto: Scarico accidentale in un corso d’acqua

Fasi del problema

rio Sorne

fase 2:confluenza

fase 1:mixing nel rio Sorne

fase 3:mixing nell’Adige

fase 4:cosa succede a valle?

fiume Adige

scarico massa M