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Carlo Gualtieri » 1.Introduzione all'Idraulica Ambientale


Cosa è l’Idraulica Ambientale?

E’ ben noto che tutti gli esseri viventi vivono immersi in un fluido, sia esso l’aria dell’atmosfera oppure l’acqua degli oceani, dei laghi e dei fiumi; tali fluidi sono sempre in movimento, sia all’interno che all’esterno degli organismi viventi, ed è proprio tale mobilità a renderli così utili al mantenimento della vita. Ciò rende molto importante la conoscenza dei meccanismi che regolano tali processi, sia essi avvengano in atmosfera che nelle acque superficiali e sotterranee.

La Meccanica dei Fluidi Ambientale (EFM) è la disciplina che studia i processi che determinano il trasporto e le trasformazioni attraverso l’idrosfera e l’atmosfera, sia su scala locale che su scala regionale e globale, delle sostanze che caratterizzano e/o influenzano la qualità di questi due ambienti naturali. Nell’ambito della Meccanica dei Fluidi Ambientale, la disciplina che limita il suo campo di studio ai processi che hanno luogo solo nell’idrosfera, e che è oggetto di questa trattazione, è detta Idraulica Ambientale (IA). In entrambi i casi, la scala dei problemi trattati è, perciò, molto ampia e varia dai millimetri ai chilometri e le grandezze considerate siano sia la massa che la quantità di moto ed il calore. Come già accennato, i processi studiati dall’Idraulica Ambientale sono, fondamentalmente ,di 2 tipi:

  • processi di trasporto, i quali muovono tali sostanze nell’idrosfera e nell’atmosfera, come una lettera, ossia una sostanza, che è portata da un luogo ad un altro da un certo vettore, ossia l’acqua;
  • processi di trasformazione, i quali modificano la sostanza considerata in un’altra e possono essere di natura fisica, ossia legati a leggi fisiche, ovvero biochimica, ossia legati a reazioni biologiche e chimiche.

Cosa caratterizza l’Idraulica Ambientale?

Cosa differenzia l’Idraulica Ambientale rispetto a discipline affini ?
Rispetto alla Meccanica dei Fluidi classica, che si interessa del moto di fluidi in sistemi artificiali, quali tubazioni, pompe, turbine, etc., dove, inoltre, possono scorrere diversi tipi di fluidi e in un ampio intervallo di valori della pressione e della temperatura, l’IA si occupa di un solo fluido, l’acqua, all’interno di sistemi naturali, quali fiumi, laghi, falde, etc., e in un campo piuttosto ristretto di temperature e di pressioni.
L’IA condivide alcuni problemi con l’Idraulica classica, come ad esempio, lo studio delle correnti a pelo libero, anche se l’Idraulica classica è interessato soprattutto alla valutazione ed al controllo dei livelli idrici, delle portate e delle velocità e delle azioni sulle infrastrutture idrauliche, mentre l’IA è rivolta soprattutto allo studio del trasporto dei contaminanti nei corpi idrici superficiali e sotterranei.
Se, poi, gli obiettivi principali della Meccanica dei Fluidi e dell’Idraulica classiche sono la progettazione e la gestione di sistemi antropici, l’Idraulica Ambientale è, invece, finalizzata alla previsione ed alle scelte decisionali. Infatti, tipico problema della IA è la previsione dei valori che assumono, per effetto dei fenomeni di trasporto e trasformazione, le concentrazioni degli inquinanti. Tuttavia, la IA fornisce anche un supporto alle decisioni, nella gestione ecocompatibile degli scarichi inquinanti di natura antropica.
Infine, se la Meccanica dei Fluidi e l’Idraulica classiche vedono la turbolenza come un elemento negativo, perché essa determina delle resistenza indesiderate, l’IA ne considera soprattutto gli aspetti positivi, in termini di una migliore dispersione dei contaminanti.

Cosa caratterizza l’Idraulica Ambientale? (segue)

Tab. 1.1: La Tabella riassume le principali affinità e differenze fra la EFM ed IA e le altre discipline affini.

Tab. 1.1: La Tabella riassume le principali affinità e differenze fra la EFM ed IA e le altre discipline affini.


Cosa caratterizza l’Idraulica Ambientale? (segue)

I problemi di contaminazione ambientale affrontati dalla Idraulica Ambientale sono, generalmente, descritti utilizzando lo schema concettuale che fa distinzione fra fonte o sorgente di contaminazione, concentrata o diffusa, via di diffusione o vettore della contaminazione e bersaglio o recettore della contaminazione:

  • qualsiasi tipo di contaminazione presenta, infatti, una sorgente, da cui le sostanze inquinanti hanno origine, accidentale o, in qualche maniera prevedibile, che sia. Tipici esempi possono essere una discarica abusiva di rifiuti, un serbatoio di idrocarburi che perde combustibile nel sottosuolo o lo scarico non trattato di una fognatura comunale;
  • gli inquinanti rilasciati dalla sorgente di inquinamento si propagano, poi, nell’ambiente attraverso diverse vie di diffusione, quali le acque sotterranee, le acque superficiali e il suolo;
  • al termine del loro percorso di migrazione, gli inquinanti raggiungono il bersaglio della contaminazione, che può essere l’uomo o una qualsiasi delle componenti dell’ecosistema acquatico, sul quale possono esercitare il loro effetto negativo.
Fig. 1.1

Fig. 1.1


Alcuni tipici problemi affrontati dall’IA

Nella Tabella qui sotto vengono mostrati i principali problemi di qualità delle acque. Ciascuno di essi può essere analizzato suddividendolo nelle sue principali componenti:

  • gli input, ossia i carichi inquinanti, residui delle attività antropiche o di fenomeni naturali;
  • i meccanismi di trasporto e le trasformazioni chimiche e biologiche che danno luogo – nel tempo – a diversi livelli di qualità in zone diverse dell’ecosistema acquatico;
  • gli output, ossia le concentrazioni di parametri, come l’ossigeno disciolto o i nutrienti, che vengono a determinarsi nel corpo idrico in un certo momento del giorno o dell’anno, per effetto dell’interazione fra i carichi inquinanti ed i meccanismi di trasporto e trasformazione nell’ambiente acquatico.
Tab. 1.2

Tab. 1.2


Le sostanze dell’Idraulica Ambientale

Numerose sono le sostanze studiate dall’Idraulica Ambientale. Una prima, importante distinzione va fatta fra le sostanze soggette solo ai processi di trasporto, dette sostanze conservative o inerti, e quelle che subiscono anche processi di trasformazione, dette sostanze non-conservative o reattive, quali, ad esempio, materia organica o alcuni composti chimici organici. Le sostanze oggetto dell’Idraulica Ambientale possono essere classificate, secondo la loro crescente pericolosità per l’ambiente, come segue:

  • sali e sedimenti naturali di natura inorganica, i quali possono, in dosi massicce, determinare una eccessiva torbidità nel corpo idrico;
  • scarichi termici, legati, di solito, alla presenza di centrali per la produzione di energia elettrica;
  • liquame urbano, contenente sostanza organica di tipo carbonioso, composti dell’azoto e del fosforo;
  • metalli in traccia, quali piombo, mercurio e cadmio, i quali sono naturalmente già presenti nell’ambiente, ma possono, invece, introdotti in elevate concentrazioni, tossiche per l’ambiente, negli scarichi industriali o anche nelle acque di pioggia urbane;
  • composti organici di sintesi, i quali sono soggetti ad una lenta biodegradazione e tendono, spesso, a entrare nella catena alimentare, dove tendono ad accumularsi nel tessuti;
  • radionuclidi, i quali, di origine naturale o legati all’impiego dell’energia nucleare, presentano elevate caratteristiche di tossicità.

Tipologie di fonti di inquinamento

Tali sostanze possono essere introdotte nei corpi idrici secondo diverse modalità ed attraverso diverse superfici di interfaccia, quali, ad esempio, il pelo libero di un lago nel caso di inquinanti atmosferici o lo strato di sedimenti contaminati presente sul fondo di un fiume. E’ utile suddividere le possibili sorgenti di inquinamento in due ampie categorie:

  • fonti puntuali, caratterizzate da un punto di scarico chiaramente individuabile e che, molto spesso, hanno una durata continua nel tempo. Ad esempio, la condotta di scarico di una fognatura o di un impianto di depurazione è una fonte di tipo puntuale che introduce nell’ecosistema acquatico liquame grezzo o trattato contenente sostanze organiche, batteri ed, talvolta, sostanze tossiche. Allo stesso modo, uno scarico industriale è una fonte puntuale, anche se è molto più probabile la presenza di sostanze pericolose;
  • fonti diffuse, ossia prive di un punto di ingresso ben definito. Fonti di questo tipo sono quelle legate alla agricoltura, alla silvicoltura, all’inquinamento atmosferico, alle acque di drenaggio urbano ed alle acque sotterranee. L’inquinamento diffuso di origine agricola può raggiungere un fiume attraverso le acque che scorrono sui terreni limitrofi.
Fig. 1.2: Fonte puntuale.

Fig. 1.2: Fonte puntuale.

Fig. 1.3: Fonte diffusa.

Fig. 1.3: Fonte diffusa.


Inquinamento convenzionale e tossico

Quali sono le differenze fra inquinamento convenzionale e inquinamento tossico?
L’inquinamento convenzionale interviene, modificandolo, sul ciclo naturale della produzione e della decomposizione della sostanza organica, mentre, l’inquinamento tossico è legato in massima parte a sostanze di natura antropica e la loro presenza comporta intossicazione o interferisce con i processi naturali.
L’inquinamento convenzionale può anche determinare solo danni di natura solo estetica, mentre quello tossico provoca gravi danni, molto spesso non visibili per lungo tempo, alla salute dell’uomo e dell’ambiente.
L’inquinamento convenzionale è legato a pochi inquinanti, non più di 10, mentre esistono decine di migliaia di composti organici potenzialmente responsabili di effetti tossici nell’ecosistema acquatico. Inoltre, in molti casi, si sa poco sui processi di trasformazione che essi subiscono e sui loro effetti sulla salute ambientale.
Ai fini della loro modellazione matematica, gli inquinanti convenzionali sono solo in forma disciolta, mentre il trasporto e le trasformazioni delle sostanze tossiche sono strettamente connesse ai fenomeni di adsorbimento del tossico sui solidi presenti in sospensione o sul fondo del corpo idrico; infatti, tali sostanze possono trovarsi sia in forma disciolta nella colonna idrica e/o nell’acqua interstiziale dei sedimenti, sia in forma particolata, ossia adsorbita sui solidi sospesi e/o nei sedimenti.

Scale temporali degli effetti

Un altro aspetto importante, che influenza sia la fase di analisi che quella di intervento, è quello legato alla scala temporale degli effetti dell’inquinamento. In linea di principio, si possono considerare due categorie di effetti:

  • effetti acuti, perduranti nel corpo idrico per un tempo limitato e provocati da eventi ben identificabili, quali – ad esempio, la riduzione dell’ossigeno disciolto (DO) in un corso d’acqua a seguito di uno sversamento improvviso. In tale caso, per quanto l’effetto sia limitato nel tempo, il danno provocato può estendersi per un periodo ben maggiore;
  • effetti di accumulo, dovuto ad un graduale incremento della sostanza inquinante nel recettore. Un tipico esempio è quello dell’accumulo di sostanze nutrienti nei corpi a debole ricambio con i ben noti conseguenti fenomeni di eccessivo sviluppo algale e di eutrofizzazione o quello legato al fenomeno della tossicità cronica.
Fig. 1.4: Scala temporale degli effetti degli inquinanti nei corpi idrici.

Fig. 1.4: Scala temporale degli effetti degli inquinanti nei corpi idrici.


I processi di trasporto dell’IA

I processi di trasporto studiati dall’Idraulica Ambientale sono i seguenti: l’advezione è il fenomeno per cui la sostanza disciolta o sospesa si muove insieme al volume idrico in cui si trova che è trasportato, ad esempio, dalla corrente fluviale; la diffusione molecolare è un meccanismo di trasporto legato ad un gradiente di concentrazione della sostanza disciolta o sospesa all’interno del corpo idrico;  la diffusione turbolenta è un meccanismo di trasporto legato alla turbolenza; la dispersione è il meccanismo di trasporto legato alla presenza di un gradiente di velocità nel corpo idrico; il trasporto interfase determina, invece, il passaggio della sostanza disciolta o sospesa attraverso una delle interfaccia ambientali, quali quelle fra atmosfera ed acqua e fra acqua e sedimenti di fondo; a secondo del tipo di sostanza coinvolta e del verso del moto si hanno la volatilizzazione e l’absorbimento, all’interfaccia aria-acqua, e la deposizione e la risospensione, che riguardano, invece, il trasporto dei solidi attraverso l’interfaccia acqua-sedimenti. Infine, un ulteriore processo di trasporto che determina un passaggio di fase è quello rappresentato dai fenomeni di adsorbimento-desorbimento, nei quali sostanze disciolte vengono adsorbiti su una matrice solida o, viceversa, ritornano in soluzione dopo essere stati adsorbiti.

Fig. 1.5: Schema del processo di absorbimento di un gas in un liquido attraverso l’interfaccia aria-acqua di un fiume.

Fig. 1.5: Schema del processo di absorbimento di un gas in un liquido attraverso l'interfaccia aria-acqua di un fiume.


I processi di trasformazione dell’IA

Nell’ambito dei processi di trasformazione di alcuni tipi di sostanze disciolte si hanno:

  • la biodegradazione, che è legata all’azione di microrganismi presenti nei corpi idrici naturali che impiegano nel loro metabolismo e, pertanto, trasformano molti composti presenti nell’ambiente acquatico in composti più semplice, quali CO2, H2O ed altri prodotti finali;
  • la bioconcentrazione è il diretto assorbimento di sostanze tossiche da parte di alcuni organismi dell’ecosistema acquatico attraverso i loro tessuti epiteliali. Il bioaccumulo comprende sia la bioconcentrazione dall’acqua che l’ingestione di cibo contaminato;
  • la fotolisi, che è un processo di decadimento dove l’azione dell’energia solare modifica la struttura molecolare di alcuni composti chimici, che si degradano o si decompongono.
  • nell’idrolisi i composti chimici reagiscono con l’acqua scindendo i propri legami e formandone di nuovi con gli atomi di idrogeno o con i gruppi ossidrile;
  • il decadimento radioattivo è un processo naturale che interessa i radionuclidi, di origine sia naturale che antropica, per cui il loro nucleo si trasforma in quello di un elemento diverso o raggiunge uno stato energetico minore, emettendo radiazioni ionizzanti. Ciò ne determina la progressiva, ma lentissima scomparsa.

Approcci e strategie nell’Idraulica Ambientale

Nell’Idraulica Ambientale, così come in altre discipline, è possibile utilizzare diversi approcci nella risoluzione dei problemi applicativi ed è impossibile stabilire a priori quale sia quello più adatto. In linea generale, si può far ricorso, dopo aver effettuata una prima valutazione dell’ordine di grandezza di una problema, all’analisi teorica, alla indagine sperimentale, alla modellazione fisica ed, infine, alla modellazione matematica.
Un primo aspetto da considerare è, senza dubbio, la conoscenza esatta del problema da affrontare che si riflette sulla scala spaziale e temporale da considerare.
La scala spaziale più piccola nei problemi dell’Idraulica Ambientale è quella atomico-molecolare, dove hanno luogo le reazioni nucleari e chimiche. La scala immediatamente superiore è quella dei più piccoli vortici turbolenti, detta anche scala di Kolmogorov, alla quale la viscosità sopprime la turbolenza; essa è tipicamente inferiore al millimetro nei processi di IA. I modelli matematici non sono in grado di risolvere questa scala, ma essa è importante, anche perché è all’incirca su tale scala che agiscono i moti Browniani, responsabili della diffusione molecolare, e gli effetti di attrito hanno luogo sulle interfaccia ambientali. La scala immediatamente superiore interessa il livello del singolo organismo che, però, è oggetto di altre discipline, come la biologia.

Fig. 1.6: Mescolamento turbolento sulla scala di Kolmogorov.

Fig. 1.6: Mescolamento turbolento sulla scala di Kolmogorov.


Approcci e strategie nell’Idraulica Ambientale (segue)

Al di sopra di questa c’è la scala locale, dove gli inquinanti non sono più considerati individualmente ma sono misurati in termini di concentrazione all’interno di un fluido continuo. A tale livello, l’attenzione è rivolta al moto nei pressi di una singola sorgente inquinante, come il getto derivante da uno scarico industriale in un corpo idrico superficiale. Per affrontare queste situazioni reali occorre individuare e conoscere i singoli processi in gioco.
Ad un livello superiore, detto scala di sistema, occorre, poi, considerare i sistemi nel loro insieme, ossia un lago, un fiume o un acquifero. In tal caso, i movimenti del fluido sono il risultato di diversi processi che hanno luogo simultaneamente; ad esempio, l’idrodinamica di un lago nasce dalla sovrapposizioni di diversi processi, quali correnti indotte dal vento, onde, stratificazione termica e moti convettivi. E’ chiaro che al crescere delle dimensioni del sistema analizzato aumentano sia la scala spaziale che quella temporale da considerare per seguire l’evoluzione del sistema.

Fig. 1.7: Analisi dello scarico in un fiume (scala locale, a sinistra) e di un intero fiume (scala di sistema, a destra.

Fig. 1.7: Analisi dello scarico in un fiume (scala locale, a sinistra) e di un intero fiume (scala di sistema, a destra.


Approcci e strategie nell’Idraulica Ambientale (segue)

Il primo approccio, di comune impiego, è quello matematico-teorico, basato sulla formulazione di concetti che si traducono, poi, in equazioni che occorre, infine, risolvere. Nel caso dell’Idraulica Ambientale questo approccio è basato sulle equazioni di Navier-Stokes, utilizzate per definire il campo di moto, e sulle equazioni che esprimono il trasporto dei contaminanti all’interno della massa fluida. Tali equazioni possono avere forma diversa a secondo del numero e del tipo dei processi di trasporto considerati; nel caso più generico, si utilizza l’equazione tridimensionale della diffusione advettiva in moto turbolento per una sostanza reattiva. L’approccio teorico è, però, possibile solo introducendo delle semplificazioni spesso eccessive, quali, ad esempio, considerare delle geometrie semplici e/o trascurare i processi ritenuti secondari. In tal caso, i risultati, anche se indubbiamente validi, sono di limitata utilità in situazioni più complesse e possono anche essere inadeguati se i concetti teorici e le semplificazioni introdotte sono sbagliate.

Fig. 1.8: Le equazioni di Navier-Stokes.

Fig. 1.8: Le equazioni di Navier-Stokes.


Approcci e strategie nell’Idraulica Ambientale (segue)

Il secondo approccio classico è quello basato sull’osservazione sperimentale, basato su indagini di campo che forniscono dati di campo, diretti o indiretti. Le misurazioni possono essere svolte in continuo, come nella gestione di un fiume, oppure occasionalmente, all’interno di un certo progetto di ricerca. Un tipico esempio di misurazione di campo è quello in cui si usa un tracciante per determinare la propagazione di una sostanza pericolosa in un corpo idrico superficiale attraverso la misura della sua concentrazione in diversi punti a valle del punto di immissione. Anche se ogni misurazione è affetta da errori di misura, i risultati delle indagini di campo sono utili per definire meglio la dinamica dei fluidi naturali e per formulare delle relazioni predittive, sia pure di limitata applicabilità.
Un terzo approccio è costituito dai modelli fisici, da realizzare in laboratorio, che, sebbene molto più costosi dei modelli matematici, hanno il vantaggio, rispetto a questi, di offrire la possibilità di osservare direttamente il fenomeno fisico, talvolta difficile da simulare. Inoltre, le esperienze di laboratorio hanno il pregio, rispetto alle indagini di campo, di consentire un miglior controllo dei parametri in gioco. Tuttavia, anche i modelli fisici presentano i loro limiti, legati, in sostanza, alla loro effettiva capacità di riprodurre il fenomeno fisico senza ottenere dei risultati affetti da degli effetti di scala.

Fig. 1.9: Indagini di campo.

Fig. 1.9: Indagini di campo.

Fig. 1.10: Modellazione fisica in laboratorio.

Fig. 1.10: Modellazione fisica in laboratorio.


Approcci e strategie nell’Idraulica Ambientale (segue)

Un quarto approccio, molto frequente, utilizza modelli matematici, ossia traduce i diversi processi fisici, chimici e biologici da studiare in equazioni matematiche, che sono, poi, risolte quasi sempre attraverso metodi numerici. Il loro vantaggio è assai evidente, in quanto effettuando delle simulazioni dove variano la formulazione del problema e/o i valori dei parametri in gioco si possono ottenere rapidamente un gran numero di risultati utili a comprendere meglio il comportamento del sistema naturale in studio. Tali simulazioni sono, poi, di solito effettuate per riprodurre nel dettaglio lo stato attuale di un certo sistema e fare delle previsioni circa la sua futura evoluzione in diversi possibili scenari. In quest’ultimo caso, non essendo ovviamente possibile fare misure su un impianto non ancora esistente, la modellazione matematica è l’unico strumento a disposizione. Ciononostante, la simulazione su modello matematico presenta anch’essa i suoi limiti, in un certo senso, intrinseci, legati alla evidente soggettività presente nella fase della formulazione del modello e nella scelta delle equazioni che rappresentano i processi fisici considerati. Infine, occorre tenere conto della variabilità spaziale e temporale di tutti i parametri di un modello, che determina un certo grado di incertezza, spesso non prevedibile con precisione, nei suoi risultati. Pertanto, anche un modello matematico, per quanto sofisticato, resta una rappresentazione parziale della realtà fisica.

Fig. 1.11: Campo di moto in un cavità. Indagine sperimentale (sinistra) e simulazione matematica (destra).

Fig. 1.11: Campo di moto in un cavità. Indagine sperimentale (sinistra) e simulazione matematica (destra).


I materiali di supporto della lezione

C.Gualtieri (2006). Appunti di Idraulica Ambientale. CUEN Editore, 2006, pp.410 (ISBN 88-7146-717-5).

C.Gualtieri, D.T.Mihailovic (Eds) (2008). Fluid Mechanics of Environmental Interfaces, pp.332, Taylor&Francis, Leiden, The Netherlands (ISBN 978-0415-44669-3).

D.T.Mihailovic, C.Gualtieri (Eds) (2010). Advances in Environmental Fluid Mechanics, pp.380, World Scientific, Singapore, Singapore (ISBN 978-981-4291-99-6).

Chanson H. (2004). Environmental Hydraulics of Open Channel Flows, Butterworth-Heinemann, London, UK.

Rubin H. and Atkinson J. (2001). Environmental Fluid Mechanics, Marcel Dekker, NY, USA.

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