Correnti marine e dispersione degli scarichi a mare dei depuratori: dai dati meteo alla piuma di dispersione

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1 Correnti marine e dispersione degli scarichi a mare dei depuratori: dai dati meteo alla piuma di dispersione AUTORI Dr.ssa Elisa Traverso Laboratori Iren Acquagas elisa.traverso@irenacquagas.it Prof. Lorenzo Papa Università degli Studi di Genova (Dip. di Fisica) papa@fisica.unige.it Parole chiave: oceanografia; meteorologia; modelli matematici; correnti marine; dispersione inquinanti ABSTRACT In questo studio con un modello numerico vengono simulati l andamento delle correnti marine in prossimità degli scarichi dei depuratori genovesi di Nervi, Sturla, Valpolcevera, Voltri, Darsena e la conseguente dispersione dei liquami nella zona costiera. I dati meteo della stazione di misura del Dipartimento di Fisica dell Università di Genova sono impiegati come termini forzanti per calcolare le componenti (U,V) delle correnti marine superficiali. Importando in Arcgis Desktop in formato ASCII le grandezze U e V, nelle celle del reticolo numerico sono creati i raster del moduli delle velocità ed analogamente i valori delle direzioni, con la rappresentazione tramite frecce del campo superficiale di velocità. Un ulteriore modello matematico utilizzando le componenti U e V della corrente superficiale calcola per ogni scarico la dispersione dei liquami emessi in mare con un valore unitario di concentrazione della sorgente assunta puntiforme. Vengono poi calcolate nello strato marino superficiale le linee di isoconcentrazione dei liquami per valutazioni del livello di impatto ambientale in prossimità degli scarichi. 1. Il progetto Lo studio si colloca nell ambito del progetto del Programma Operativo Regionale (POR 2011) finanziato da Regione Liguria, che prevede la realizzazione di una piattaforma integrata di reti tecnologiche e carte tematiche dei campi di corrente e dispersione di inquinanti in uscita dai depuratori in base ai campi prevalenti di vento (fig.1).

2 Figura 1 Area di studio e depuratori dell area genovese. Per la produzione delle carte tematiche di dispersione e di livello di inquinamento della zona costiera genovese nel modello di simulazione vengono considerati come venti principali del Golfo Ligure i venti da Sud, Nord, Sud-Est e Sud-Ovest, suddivisi in tre classi di intensità: bassa (5-10 m/s), media (10-20 m/s), alta (20-40 m/s). Per le simulazioni in tempo reale sono invece impiegati i dati meteo della banca dati del Dipartimento di Fisica dell Università di Genova, dove è operativa da oltre venti anni una stazione automatica che misura l intensità e la direzione del vento ogni 20 minuti. Un modello numerico tridimensionale calcola in tempo reale la dispersione degli scarichi dei depuratori genovesi in base al vento e alle correnti marine, con la possibilità di produrre accurate previsioni delle concentrazioni superficiali dei liquami e di fornire valutazioni di rischi di inquinamento ambientale. 2. Il modello idrodinamico per lo studio delle correnti marine superficiali e la dispersione degli inquinanti L equazione fondamentale impiegata nel modello numerico di simulazione per il calcolo della dispersione di un liquame in mare è la seguente: C C C C + U + V + W = ( D x C/ x ) + (D y C/ x) + (D z C/ z) [1] t x y z x y z dove C è la concentrazione in unità arbitrarie, U, V, W sono le componenti della velocità delle correnti marine e D x, D y, D z, sono i coefficienti di diffusività turbolenta dei liquami rispettivamente nelle direzioni x, y, z. Nel presente lavoro si è impiegato un nuovo modello numerico tridimensionale che descrive processi di interazione del campo vicino di dispersione col campo lontano. Il codice di calcolo utilizza un metodo classico alle differenze finite per la risoluzione numerica delle equazioni di Navier Stokes per liquidi incomprimibili in tre dimensioni (Bazzurro and Papa, 2002; Papa and Vattuone, 2010; Papa and Vattuone, 2011).Le tecniche numeriche utilizzano il MAC Method (Welch et al., 1966; Spraggs and Street, 1975) che è stato esteso per descrivere la dispersione di inquinanti negli strati superficiali di un bacino oceanografico chiuso o semichiuso. Per risolvere numericamente le equazioni del moto e della concentrazione dei reflui emessi dalle condotte sottomarine si introduce una maglia formata da celle rettangolari di passo Δx, Δy, z. I valori discretizzati di pressione, temperatura, salinità e concentrazione dell inquinante sono localizzati al centro di ciascuna cella, mentre le velocità del mare e la superficie libera sono localizzati ai vertici di ciascuna cella. Le equazioni di Navier Stokes, di continuità e di dispersione vengono risolte numericamente con programmi di calcolo realizzati in FORTRAN 77 e la grafica dei campi vettoriali delle correnti e scalari delle concentrazioni dei liquami sono implementate in ambiente MATLAB e ESRI. 3. Elaborazione dati Per suddette elaborazioni viene utilizzato Arcmap 10.0, con l estensione Spatyal Analyst.

3 I dati in uscita dai modelli matematici vengono importati in formato ASCII e tramite la funzione ASCII to Raster si ottengono diversi raster. 3.1 Mappa correnti superficiali Le componenti della velocità delle correnti marine, U e V, importati in formato ASCII, tramite lo strumento ASCII to Raster, danno origine ai rispettivi raster U e V, da cui tramite la funzione Raster Calculator [sqrt(u^2+v^2)], viene calcolato il raster del modulo delle velocità. Vengono stabilite 3 classi di velocità, bassa, media, alta, rispettivamente 5-10 cm/s, cm/s, cm/s, da cui vengono generate le mappe corrispondenti. Inoltre, ripetendo la funzione Raster Calculator [atan2(v,u)] si calcolato la direzione della corrente, rappresentata mediante freccia (fig.2). 3.2 Mappa dispersione inquinanti Analogamente alla mappa delle correnti, la concentrazione dei liquami calcolata dal modello viene importata in formato ASCII, tramite lo strumento ASCII to Raster, creando il raster C delle concentrazioni da cui, tramite la funzione contour, si derivano le linee di isoconcentrazione del refluo della condotta (fig.2). Figura 2 Schema generale procedura. 4. Conclusioni Questo studio ha prodotto mappe tematiche dell andamento delle correnti marine e del trasporto di liquami emessi in mare da scarichi urbani. Il modello oceanografico di simulazione permette, in base ai dati meteo, di prevedere in tempo reale correnti tridimensionali e processi di dispersione in zone costiere e d altura (fig.3 e fig. 4)

4 Figura 3 Mappa di una corrente superficiale nella zona di Voltri (Genova). Figura 4 Mappa di una piuma di dispersione nella zona di Voltri (Genova). Autori Dr.ssa Elisa Traverso, responsabile Laboratorio Cartografico IAG/LIAG Prof. Lorenzo Papa, docente Istituto Idrografico della Marina e Dipartimento di Fisica, Università i di Genova

5 Ambito del lavoro 15a Conferenza Utenti Esri Questo studio si colloca nell ambito del progetto del Programma Operativo Regionale (POR) anno 2011 finanziato da Regione Liguria, di concerto tra Laboratori Iren Acquagas e Iren Acquagas (Gruppo IREN) e il Dipartimento di Fisica dell Università degli Studi di Genova. Bibliografia Bazzurro, N. and Papa, L. (2002). A numerical model of wind driven circulation and pollutant dispersion in the Ligurian Sea. 2 nd International Conference on Marine Waste Water Discharges (MWWD 2002), Instanbul. Papa, L. and Vattuone, L. (2010). Proceedings of the 6th International Conference on Marine Waste Water Discharges and Coastal Environment, Langkawi Malaysia. Papa, L. and Vattuone, L. (2011). Proceedings of The 2011 World Congress on Advances in Structural Engineering and Mechanics (ASEM'11+), Seoul. Spraggs., L.D. and Street, R.L. (1975). Three-dimensional simulation of thermally-influenced hydrodynamic flows. Stanford University Technical Report n. 190.