Carlo Gualtieri » 1.Introduzione all'Idraulica Ambientale

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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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.

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.