Prof. Ing. Roberto BRUNO Ing. Serena Sgallari Dipartimento di Ingegneria Chimica, Mineraria e delle Tecnologie Ambientali Università di Bologna

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1 Approfondimenti sull uso delle tecniche geostatistiche utilizzate in Emilia Romagna ai fini dell individuazione delle arre a rischio radon e prospettive metodologiche Prof. Ing. Roberto BRUNO Ing. Serena Sgallari Dipartimento di Ingegneria Chimica, Mineraria e delle Tecnologie Ambientali Università di Bologna LA CARATTERIZZAZIONE DELLE AREE A DIFFERENTE RISCHIO RADON Bologna 31 ottobre 2007

2 Una conclusione anticipata Occorre un approccio probabilistico coerente in quanto l incertezza è intrinseca al problema, sia perché la variabilità naturale ed artificiale delle grandezze in gioco non sono modellizzabili se non con strumenti probabilistici adeguati e consistenti; sia perché le decisioni degli amministratori dovranno essere prese non sui valori reali, ma inevitabilmente su valori stimati.

3 Una sintesi dello studio geostatistico La variabilità spaziale del radon indoor La variabilità spaziale del radon in falda per popolazioni omogenee in relazione ai vari elementi strutturali Cartografie e correlazioni radon indoor/in falda

4 La variabilità spaziale del radon indoor: le ipotesi e la scelta dei dati Lo studio della distribuzione e della variabilità spaziale richiede dati significativi e omogenei: solo dati dello stesso piano con l ipotesi, pragmatica anche se non verificabile, che le differenze di supporto spazio-temporale siano trascurabili scatter media/varianza per piano

5 La variabilità spaziale del radon indoor: dati equidistribuiti Occorre equilibrare la densità per ottenere dispersioni significative del territorio: La concentrazione dei dati nelle città maschera lo studio della variabilità su tutto il territorio

6 La variabilità spaziale del radon indoor: ridurre il peso dei dati di città Ai fini dello studio spaziale è necessario ridurre il numero di dati delle città Distinguendo fra città e paesi alcune caratteristiche possono variare, come la dispersione

7 La variabilità spaziale del radon indoor: il variogramma come strumento base Il variogramma è una misura della correlazione spaziale fra due punti Considerando tutta la regione è molto grande la variabilità non strutturata e a piccola scala

8 La variabilità spaziale del radon indoor: la differenziazione montagna - pianura Si può migliorare lo studio cercando insiemi più omogenei. Per es. differenziando le aree morfologiche

9 La variabilità spaziale del radon indoor: la differenziazione montagna pianura (segue) D altro canto le statistiche elementari sono ben differenti Scatter media/varianza dei dati di pianura e montagna

10 La variabilità spaziale del radon indoor: la differenziazione montagna pianura (segue) I variogrammi, diversi, hanno le 3 stesse strutture: una pepitica una a 8 km sferica una a 50 km esponenziale

11 La variabilità spaziale del radon indoor: la differenziazione montagna pianura (segue) La correlazione spaziale, netta, a due scale, estesa a tutta la regione, limita l ipotesi di un legame importante fra concentrazioni di radon osservate e materiali edilizi. La presenza delle stesse tre strutture evidenzia una medesima logica (origine, causalità, propagazione) di distribuzione spaziale del radon, da interpretare. L effetto proporzionale, ipotizzando la provenienza dal basso, potrebbe dipendere da un filtraggio della coltre sedimentaria in pianura: minori media e dispersione.

12 La variabilità spaziale del radon indoor: la differenziazione per litotipo I tre litotipi di montagna ed i tre di pianura hanno caratteristiche statistiche diverse, ma confermano l effetto proporzionale Zona Litotipo Media (Bq/m 3 ) Varianza (Bq/m 3 ) 2 P Limo P Sabbia P Ghiaia M M Calcare Marno so Marne e Argille M Arenarie

13 La variabilità spaziale del radon indoor: la differenziazione per litotipo (segue) I litotipi con un sufficiente n. di dati mostrano variabilità spaziali differenziate Sabbie e ghiaie (L.2 e 3) pur con le stesse statistiche, hanno due variabilità spaziali completamente diverse

14 La variabilità spaziale del radon indoor: correlazione con altri elementi strutturali Sono state cercate correlazioni con zone di faglia quali il limite pianura-montagna e la dorsale ferrarese; punti di emissione di idrocarburi.

15 La variabilità spaziale del radon indoor: correlazione con altri elementi strutturali (segue) Correlazioni con il limite pianura-montagna: non significative Totale (a) e per litotipo (b,c,d,e)

16 La variabilità spaziale del radon indoor: correlazione con altri elementi strutturali (segue) Correlazioni con punti di emissione di idrocarburi I valori superiori ai 150 Bq/m 3 sono registrati entro km dalle aree di emanazione gassosa E un elemento a favore della ipotesi di cessione del radon dal metano all atmosfera

17 La variabilità spaziale del radon in falda: i dati e le ipotesi I dati utilizzati derivano dalle campagne di misurazione effettuate in Emilia-Romagna in 233 pozzi; in Mar-Apr-Mag 1990 distribuiti principalmente in pianura nelle 9 province della regione.

18 La variabilità spaziale del radon in falda: i dati e le ipotesi (segue) La variabile spazio-temporale radon in pozzo, Rn(x,y,z,t), è stata ridotta a 2 dimensioni, Rn(x,y), eliminando: la Z (qslm / profondità), in quanto trascurabile ai fini dello studio; il tempo, in quanto si considera il fenomeno stazionario e la concentrazione in equilibrio (cfr. Martinelli). Non vi sono problemi di supporto spaziale, (misure puntuali), né temporale (misure pseudo-istantanee).

19 La variabilità spaziale del radon in falda: a scala regionale L analisi variografica alla scala dei 50 km dimostra una netta anisotropia NNW (N113) ENE (N23), una deriva a scala regionale ed una grande regolarità a piccola scala Mappa variografica Variogrammi sperimentali e modello (N113)

20 La variabilità spaziale del radon in falda: a scala regionale (segue) Ma esistono due popolazioni ben distinte Differenziabili con un cut-off di 7 Bq/l

21 La variabilità spaziale del radon in falda: La differenziazione per popolazione I variogrammi sono ben diversi quanto a variabilità, struttura, anisotropia

22 La variabilità spaziale del radon in falda correlazione con altri elementi strutturali Sono state cercate correlazioni con: profondità e quota piano campagna dei pozzi di misura. distanza dall emissione di gas naturale più vicina.

23 La variabilità spaziale del radon in falda correlazione con altri elementi strutturali (segue) La correlazione con la profondità: I variogrammi incrociati sono negativi ed anisotropi sino a km Il radon aumenta quando diminuisce la profondità; e effettivamente i valori alti di radon sono nelle falde più superficiali

24 La variabilità spaziale del radon in falda correlazione con altri elementi strutturali (segue) La correlazione con le emissioni gassose: i valori alti di radon sono quelli più vicini alle aree di emissione di gas; sembrerebbe confermato il quadro visto per il radon indoor, ma

25 La variabilità spaziale del radon in falda correlazione con altri elementi strutturali (segue) La correlazione con le emissioni gassose: il variogramma incrociato rimane nullo in entrambe le direzioni sino a circa 20 km; non c è correlazione spaziale locale fra incremento di radon e incremento della distanza dalle emissioni

26 La cartografia del radon in falda La cartografia si ottiene mediante stima ai nodi di una maglia. Gli stimatori della Geostatistica sono i Krigaggi Considerata: la dimensione del vicinaggio raffrontabile con la scala della parte stazionaria (< 50 km) dei variogrammi; la carenza di dati nell area appenninica; l equivalenza dei risultati utilizzando un modello di variogramma a scala regionale o semilocale è stato eseguito un Krigaggio Ordinario con un modello unico di variogramma, sulla sola variabile diretta

27 La cartografia del radon in falda (segue) La mappa stimata mediante krigaggio del radon in falda e la relativa mappa della varianza di stima È evidente la deriva (trend) e l anisotropia Mappa stimata del radon in falda Mappa della varianza di stima

28 La cartografia del radon in falda (segue) La qualità della stima è eccellente come verificabile dalla bassa varianza dell errore di stima dai risultati della cross-validazione Nuvola di correlazione valori veri / valori stimati Lo stimatore praticamente è condizionalmente corretto

29 La cartografia del radon indoor La cartografia si ottiene sempre mediante stima ai nodi di una maglia. Ma non esiste un edificio a ciascun nodo del grid! Né vi è definita la variabile radon indoor. Pragmaticamente si può pensare ad un cambio di variabile, definendone una spazialmente continua, tipo: potenzialità territoriale di radon indoor; correlata ad una variabile spazialmente discreta, appunto il radon indoor. Forse sarebbe opportuno riformulare il problema in termini di variabili regionalizzate di tipo indicatrici (0/1) e con esse partizionare il territorio.

30 La cartografia del radon indoor (segue) E stato eseguito un krigaggio ordinario con un modello unico di variogramma, senza differenziare fra pianura e montagna, questo perché numero, tipo e range delle strutture modello sono le stesse nei due casi e potrebbe parlare di una sorta effetto proporzionale ; sulla sola variabile diretta, non ritenendo di disporre di un modello multivariato consistente ed operativo.

31 La cartografia del radon indoor (segue) La mappa stimata mediante krigaggio del potenziale di radon indoor e la relativa mappa della varianza di stima Mappa della varianza di stima Mappa stimata del radon indoor È confermata la continuità, la regolarità, la stazionarietà e l isotropia strutturale sul territorio

32 Una analisi comparata fra radon indoor e radon in falda Quale correlazione strutturale, a scala regionale, esiste fra radon in falda e radon indoor? L interesse per questa domanda è molteplice, principalmente aumentare la comprensione del fenomeno e verificare alcune ipotesi; tentare di collegare una grandezza discontinua e fortemente variabile come il radon indoor ad una continua e regolare come il radon in falda.

33 Una analisi comparata fra radon indoor e radon in falda: quale approccio Il problema di uno studio di correlazione spaziale I dati sono eterotopici: per semplificare, dove c è il pozzo non c è la misura indoor Le possibili soluzioni: Covarianze incrociate in / po Studio su dati isotopici stimati ( ) [( ( ) ) ( ) ] h = E Rn x + h m Rn x m E stata scelta l analisi a partire dai valori krigati, in relazione alla maggiore robustezza dell analisi ed in relazione agli obiettivi C Rn in ko in Rn ko ( x) Rn ( x) ( ) in Rn po po po

34 Una analisi comparata fra radon indoor e radon in falda (segue) La correlazione fra i valori stimati è limitata e negativa Riflette differenziazioni di varia natura (morfologia, etc)

35 Una analisi comparata fra radon indoor e radon in falda (segue) La analisi in componenti principali fra valori veri di radon indoor e valori stimati (con molta precisione) di radon in falda E confermata la totale indipendenza fra le due variabili indoor (F1) ed il radon in falda F2

36 Conclusioni La analisi, geostatistica e non, dei dati spaziali consente di mettere a fuoco molti elementi essenziali del problema radon indoor, data la natura e le caratteristiche della variabile: una cosa è il monitoraggio dei livelli di radon indoor in edifici esistenti; altra la valutazione dei rischi su edifici esistenti non monitorati; altra ancora la previsione dei rischi potenziali sul territorio, in aree non edificate.

37 Conclusioni (segue) Monitoraggio dei livelli di radon indoor in edifici esistenti il monitoraggio in senso stretto vale solo per i locali muniti di strumentazioni di misura, mentre per gli altri locali dello stesso ambiente (es. casa) occorre stimarne la concentrazione; a rigore, anche il valore del locale misurato è una stima della concentrazione vera sia in relazione all estensione del valore puntuale allo spazio, l ambiente in cui è installato; sia in relazione al tempo, quando si estende all anno previsto le misure su intervalli minori

38 Conclusioni (segue) La normativa ambientale che fissa limiti di concentrazioni, è normalmente carente, e non solo quanto al radon. Infatti: non specifica il supporto al quale il valore limite fa riferimento, mentre i risultati della selezione variano col supporto non specifica il livello di probabilità associato ai valori limite da non superare

39 Conclusioni (segue) Effetto supporto A parità di ogni altra condizione (ubicazione, media, ) la percentuale di ambienti da bonificare varia al variare della loro superficie media: Per es. a fronte ambienti industriali con superfici di 1000 m 2 e concentrazione media 150 Bq/m 3 che potrebbero soddisfare il limite dei 200 Bq/m 3 nel 95% dei casi, ambienti di 60 m 2 con la stessa media potrebbero superare il limite nel 30% dei casi. Sullo stesso territorio. Densità di probabilità 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0, Radon indoor (Bq/m3) 1000 m2 60 m2

40 Effetto supporto (segue) Conclusioni (segue) A parità di ogni altra condizione, il numero di scuole di superficie piccola da bonificare è maggiore del n. di scuole con maggiore superficie

41 Conclusioni (segue) Valutazione del rischio di radon indoor in edifici esistenti non monitorati o monitorati parzialmente Fissati valore limite e supporto, il rischio di superare la soglia dipende dalla incertezza dei valori stimati A rigore, esiste sempre la possibilità per un locale di superare i limiti fissati, anche quando il valore stimato è inferiore;. Densità di probabilità 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Rn* Probabilità del valore vero e distribuzione dell'errore possibile attorno al valore stimato Radon indoor (Bq/m3)

42 Conclusioni (segue) Effetto informazione A parità di concentrazione media stimata inferiore al valore limite di intervento, un stesso ambiente può avere il 40 % di probabilità di superare il limite dei 500 Bq/m 3 se monitorato male, oppure il 5% se monitorato bene. Questo perché l affidabilità delle stime può essere diversa. La norma deve quindi associare al valore limite di intervento, le probabilità di superamento: es. obbligo di intervento se si hanno più del 30% di probabilità di superare la soglia

43 Conclusioni (segue) Previsione dei rischi potenziali sul territorio Uno studio approfondito come quello del gruppo di lavoro della RER può mettere in evidenza eventuali situazione strutturalmente più sensibili, da monitorare con maggiore attenzione. Peraltro, è ancora da definire una procedura ed un approccio metodologico generale e condivisibile in grado di quantificare simili rischi.