PROGRAMMA DI COOPERAZIONE ALCOTRA PROGETTO STRATEGICO AERA

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1 PROGRAMMA DI COOPERAZIONE ALCOTRA PROGETTO STRATEGICO AERA AZIONE 2.3 ANALISI DEI MODELLI ESISTENTI PER LO STUDIO DELLA QUALITÀ DELL ARIA

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3 SINTESI L azione 2.3 del progetto strategico AERA, intitolata «Analisi dei modelli esistenti per lo studio della qualità dell aria» è stata condotta dalla Regione Rhône-Alpes. Questa azione, il cui obiettivo era attuare un protocollo metodologico e organizzativo tra i vari partner sugli strumenti di modellizzazione della qualità dell aria già esistenti all interno delle diverse reti di monitoraggio, ha consentito di raccogliere informazioni sulla climatologia e la meteorologia delle regioni partecipanti a questo programma di cooperazione italo-francese. Il questionario, elaborato a cura della Regione Rhône-Alpes, e compilato successivamente da tutti i partner, ha permesso di stilare un elenco completo delle pratiche di modellizzazione della qualità dell aria nei vari territori: per l Italia, le regioni Liguria, Piemonte e Valle d Aosta, e per la Francia, le regioni Rhône-Alpes e Provence-Alpes-Côte d Azur (PACA). Il questionario ha consentito di evidenziare che le regioni Rhône-Alpes, PACA, Piemonte e Valle d Aosta utilizzano già strumenti di modellizzazione, mentre nella regione Liguria il loro uso è ancora limitato. L analisi dei dati raccolti attraverso i questionari ha permesso di individuare alcune caratteristiche: Solo le regioni italiane del Piemonte e della Valle d Aosta utilizzano modellizzazioni industriali basate su software di tipo SPRAY. La modellizzazione urbana (modelli SIRANE, SPRAY e ADMS Urban) viene utilizzata da tutte le regioni, tranne dalla regione Liguria. Solo le regioni Rhône-Alpes, PACA e Piemonte ricorrono alla modellizzazione regionale (modelli CHIMERE e FARM). Le schede metodologiche sulle diverse modellizzazioni sono state elaborate allo scopo di fornire elementi di miglioramento ai partner del progetto che desiderano dotarsi di strumenti di modellizzazione della qualità dell aria o migliorare gli strumenti esistenti. Questo inventario sarà utilizzato allo scopo di orientare l azione 3.3, intitolata «Modellizzazione per la valutazione della qualità dell aria», il cui obiettivo è sviluppare un modello regionale in tutta l area Alcotra e migliorare gli strumenti di modellizzazione esistenti. 1

4 INDICE SINTESI...1 INDICE ANALISI DELLE PECULIARITÀ REGIONALI CON UN IMPATTO SULLA MODELLIZZAZIONE DELLA QUALITÀ DELL ARIA PROBLEMATICA SUL TERRITORIO ALCOTRA TERRITORIO IN ESAME ANALISI DELLE SPECIFICITÀ GEOGRAFICHE TIPOLOGIE REGIONALI E MODELLI PER LA VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DELL ARIA REGIONI LITORANEE REGIONI MONTUOSE E VALLATE ALPINE REGIONI PIANEGGIANTI AGGLOMERATI URBANI CONCLUSIONE SCHEDA METODOLOGICA: LA MODELLIZZAZIONE INDUSTRIALE PROBLEMATICA SITUAZIONE INIZIALE GLI AGENTI INQUINANTI CONSIDERATI I DATI DI INPUT LE SORGENTI IL SITO E LA METEOROLOGIA I SOFTWARE DISPONIBILI MODELLO GAUSSIANO MODELLI EULERIANI 3D I MODELLI LAGRANGIANI CONCLUSIONI SCHEDA METODOLOGICA: LA MODELLIZZAZIONE URBANA INTRODUZIONE SOFTWARE INSTALLATI NELL AREA ALCOTRA AREA URBANA E INQUINAMENTO COSTITUZIONE DI UNA RETE STRADALE PER I MODELLI URBANI PRESA IN CONSIDERAZIONE DELL EDIFICATO URBANO I MODELLI DI DISPERSIONE IL MODELLO ARIA-IMPACT IL MODELLO ADMS URBAN IL MODELLO SIRANE LE EMISSIONI STRADALI DATI METEOROLOGICI DATI NECESSARI E SUFFICIENTI MISURE E/O OUTPUT DEI MODELLI COSTITUZIONE DI UNA RETE DI TRAFFICO E DEFINIZIONE DEI DATI CONNESSI DATI DI CONTEGGIO RICOSTITUZIONE TEMPORALE DEI FLUSSI DI TRAFFICO...25 METODO DELLE ANNESSIONI CONTEGGI PRECEDENTI

5 - OUTPUT DEI MODELLI DISGREGAZIONE ORARIA DEI FLUSSI DI TRAFFICO CONVALIDA DEI RISULTATI CRITERI DI ACCETTAZIONE DEGLI SCORE: REQUISITI E VALORI GUIDA CONFRONTO MISURA/MODELLO SU UNA GRIGLIA DI RICETTORI FASE DI IMPLEMENTAZIONE E FASE OPERATIVA FASE DI IMPLEMENTAZIONE PROCEDURA RELATIVA ALLA FASE OPERATIVA CONCLUSIONE SCHEDA METODOLOGICA: LA MODELLIZZAZIONE REGIONALE INTRODUZIONE SITUAZIONE NELL AREA ALCOTRA INFLUENZE ANTROPICHE L ESSENZIALE PER UNA MODELLIZZAZIONE REGIONALE RACCOMANDAZIONI PER LE MODELLIZZAZIONI METEOROLOGICHE LE GRIGLIE DI CALCOLO ESTENSIONE DELLE GRIGLIE SCELTA DELLA RISOLUZIONE RISOLUZIONE VERTICALE SCELTA DELLE CONFIGURAZIONI IN WRF ASSIMILAZIONE DI DATI METEOROLOGICI UTILIZZO DELLO SCHEMA DI CANOPEA URBANA IMPLEMENTAZIONE DI UN PASSO DI TEMPO AUTOADATTATIVO DESCRIZIONE IMPATTO SUGLI OUTPUT RACCOMANDAZIONI PER LE MODELLIZZAZIONI CHIMICHE DETERMINAZIONE DELLE GRIGLIE DI CALCOLO ESTENSIONE DELLE GRIGLIE SCELTA DELLA RISOLUZIONE RISOLUZIONE VERTICALE SCELTA DELLE CONDIZIONI AL CONTORNO CONDIZIONI AL CONTORNO CHIMICHE PER LE SCALE REGIONALI CONDIZIONI AL CONTORNO CHIMICHE PER LA SCALA NAZIONALE O CONTINENTALE CATASTO DELLE EMISSIONI VALUTAZIONE, CALCOLO DEGLI SCORE E CONVALIDA INDICATORI DA CALCOLARE DIRETTIVE EUROPEE ALTRI INDICATORI CONCLUSIONE CONCLUSIONE GENERALE

6 1 ANALISI DELLE PECULIARITÀ REGIONALI CON UN IMPATTO SULLA MODELLIZZAZIONE DELLA QUALITÀ DELL ARIA Le specificità geografiche di una regione rappresentano i principali elementi determinanti della qualità dell aria. La modellizzazione di tutti i fenomeni fisico-chimici che disciplinano la troposfera risulta impossibile, perché tutti questi fenomeni non sono ancora noti con precisione e il tempo di calcolo ad una risoluzione spaziale accettabile risulterebbe smisurato. È quindi opportuno trascurare alcuni fenomeni meteorologici per alcune scale o utilizzare parametrizzazioni. Per altre scale spaziali, invece, alcuni fenomeni diventano preponderanti nell evoluzione delle masse d aria ed dunque è opportuno renderli con precisione. È quindi necessario procedere ad un inventario delle specificità locali che disciplinano la fisicochimica della massa d aria sul territorio Alcotra, allo scopo di scegliere e adattare al meglio i modelli per ottenere il miglior compromesso possibile tra precisione del risultato e tempi di calcolo. 1.1 PROBLEMATICA SUL TERRITORIO ALCOTRA Territorio in esame Il progetto Alcotra AERA copre tutta l area alpina di confine tra la Francia e l Italia. Più precisamente, sono interessate tre regioni italiane (Valle d Aosta, Piemonte, Liguria) e due regioni francesi (Rhône-Alpes, Provence-Alpes-Côte d'azur). Figura1. Cartina dell area Alcotra centrale (grigio scuro) e di tutte le regioni Alcotra interessate (grigio chiaro) Legenda: Dipartimenti e provincie ammissibili Confine 4

7 La Figura1. Cartina dell area Alcotra centrale (grigio scuro) e di tutte le regioni Alcotra interessate (grigio chiaro) Legenda: Dipartimenti e provincie ammissibili Confine distingue l area Alcotra centrale dalle aree adiacenti. L area Alcotra centrale copre: la Regione Autonoma della Valle d Aosta; le Provincie di Torino e Cuneo (per il Piemonte); la Provincia d Imperia (per la Liguria); i Dipartimenti della Savoia e dell Alta Savoia (per Rhône-Alpes); i Dipartimenti delle Alte Alpi, delle Alpi d Alta Provenza e delle Alpi Marittime (per Provence-Alpes-Côte d'azur). Nell ambito della presente relazione sulla modellizzazione della qualità dell aria, prenderemo in esame l intero territorio occupato dalle regioni partecipanti al progetto AERA, vale a dire l area centrale e le aree adiacenti Alcotra. Quest area sarà denominata «area Alcotra» Analisi delle specificità geografiche Come indicato sulla cartina della figura 2, l area oggetto dello studio Alcotra è molto eterogenea dal punto di vista dell uso del suolo. L'arco alpino si trova al centro del territorio, con zone boschive ai piedi della catena montuosa, sia sul versante italiano che su quello francese. Ad est e ad ovest del territorio si estendono le pianure in cui si trovano le aree maggiormente urbanizzate. I grandi centri urbani sono circondati da terreni coltivati. 5

8 Rhône-Alpes Val d Aosta Piemonte Liguria PACA Figura2. Occupazione del territorio nell area Alcotra (dati CORINE Land Cover) Legenda: Acqua Palude Ghiacciaio Terreno montuoso Terreno di media altitudine Aree boschive Aree coltivate Centri urbani Da un punto di vista della modellizzazione della qualità dell aria, si distinguono 4 tipologie di regioni, in particolare: Le regioni litoranee (es.: regione Liguria, costa mediterranea della regione PACA); Le regioni montuose: le vallate alpine (es.: vallata della Valle d Aosta, vallata della Maurienne); Le regioni pianeggianti (es.: pianura del Po, valle del Rodano); Il territorio urbano (es.: città di Lione, Torino, Marsiglia). La parte che segue fornisce una descrizione di queste 4 tipologie di territorio. 6

9 1.2 TIPOLOGIE REGIONALI E MODELLI PER LA VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DELL ARIA Nella parte che segue, sono descritte le 4 regioni identificate per la modellizzazione della qualità dell aria. A ciascuna tipologia corrispondono tecniche di modellizzazione specifiche Regioni litoranee La presenza del mar Mediterraneo modifica le condizioni di dispersione dell inquinamento atmosferico rispetto alle condizioni meteorologiche sinottiche, vale a dire alle condizioni generali di circolazione delle masse d aria. Le condizioni anticicloniche impediscono che si installino queste situazioni sinottiche, lasciando il posto a fenomeni meteorologici più locali (regimi di brezze di terra, di mare, di lago). Queste brezze sono favorevoli alla comparsa di picchi d inquinamento, secondo processi di ricircolo delle masse d aria. Formazione della brezza marina Formazione della brezza terrestre Queste regioni possono anche essere soggette ai seguenti fenomeni: Foschie costiere, Altezza dello strato limite elevata/bassa, in funzione dell ora, Venti sinottici regionali che permettono una buona dispersione. La modellizzazione di queste aree dovrà prendere in considerazione in modo preciso la meteorologia locale per descrivere correttamente le diverse masse d aria in gioco e le altezze dello strato limite che possono variare rapidamente. La descrizione dell occupazione del territorio (mare o terra) in queste regioni avrà un importanza determinante. Il ricorso a un numero maggiore di misure meteorologiche in queste regioni permetterà di migliorare la descrizione della meteorologia. I modelli di dispersione dovranno prendere in considerazione la dimensione verticale allo scopo di includere i fenomeni di variazione dello strato limite atmosferico. I modelli di valutazione della qualità dell aria utilizzati per descrivere queste regioni sono: modelli regionali ad alta risoluzione (qualche chilometro) e tridimensionali, tipo MM5 e CHIMERE; modelli industriali, destinati a studiare la dispersione delle sorgenti occasionali o diffuse, prendendo in considerazione una meteorologia tridimensionale e che ricorrono a dati di misurazione meteorologica. 7

10 1.2.2 Regioni montuose e vallate alpine Il confine tra la Francia e l Italia si colloca sul versante meridionale del massiccio alpino, al centro dell area Alcotra, come indicato sulla cartina della Figura3. Il massiccio alpino è attraversato da numerose vallate che presentano diverse configurazioni (profondità, orientamento, pendenza, lunghezza, ecc.). Rhône-Alpes Val d Aosta Piemonte Liguria PACA Figura3. Cartina dell altitudine dell area Alcotra (dati USGS GTOPO30) Queste regioni sono soggette ai seguenti fenomeni, accentuati secondo il carattere accidentato del rilievo: Dispersione limitata, in particolare in inverno, a causa della presenza di sbalzi di temperatura sul fondo delle vallate scoscese. Variazione della temperatura con l altitudine in un atmosfera classica : gli inquinanti si disperdono correttamente. Legenda: Variazione di temperatura con l altitudine nel caso di un inversione di temperatura: questa situazione è favorevole all accumulo di inquinanti. 8

11 Altitudine Temperatura dell aria strato d inversione Effetto di canalizzazione delle masse d aria nelle vallate; Effetto di Phon provocato dall essiccazione delle masse d aria al di sopra dei rilievi. Questo fenomeno può avere un importante impatto sulla dispersione degli inquinanti; Effetti canyon in presenza di alcuni altopiani; Brezze di pendio e venti di vallata. Schema semplificato di generazione dei venti di pendio e di vallata di giorno (a sinistra) e di notte (a destra). Come per le regioni litoranee, la modellizzazione delle regioni montuose e delle vallate dovrà prendere in considerazione regimi di venti complessi. La stratificazione verticale dell atmosfera e la presenza delle inversioni di temperatura comportano l uso di una modellizzazione tridimensionale. La modellizzazione della qualità dell aria applicata alle vallate richiede pertanto necessariamente che venga preso in considerazione il rilievo. Sono opportune misure meteorologiche a diverse altitudini per poter considerare i fenomeni più complessi. I modelli di valutazione della qualità dell aria utilizzati per descrivere queste regioni sono: modelli regionali ad alta risoluzione (qualche chilometro) e tridimensionali, tipo MM5, WRF e CHIMERE; modelli industriali, destinati a studiare la dispersione delle sorgenti puntuali o diffuse, prendendo in considerazione una meteorologia tridimensionale e che ricorrono a dati di misure meteorologiche Regioni pianeggianti Le aree di pianura (con qualche eccezione per quelle situate tra due massicci montuosi) non sono soggette a condizioni meteorologiche regionali particolari: la meteorologia sarà quindi influenzata essenzialmente dalle condizioni sinottiche (grande scala). In termini di inquinamento atmosferico, i livelli saranno influenzati dalle sorgenti locali di emissione di inquinanti, ma anche dal trasporto di inquinanti provenienti dalle regioni limitrofe. La modellizzazione di queste regioni poggia su modelli di valutazione della qualità dell aria che si avvalgono di formule semplici, verificate in numerosi casi. Il numero di punti di misurazione necessari ai calcoli meteorologici può essere limitato. I modelli utilizzati saranno di tre tipi: modelli regionali di tipo CHIMERE, per studiare l inquinamento di fondo; 9

12 modelli industriali, destinati a studiare la dispersione delle sorgenti occasionali o diffuse, con una meteorologia eventualmente uniforme (misure meteorologiche a una stazione); modelli stradali di tipo STREET, per valutare l inquinamento delle grandi arterie stradali interurbane Agglomerati urbani Per i grandi agglomerati urbani, il fenomeno di isola di calore urbano può influenzare in modo significativo la dispersione degli inquinanti. L aumento localizzato delle temperature (in particolare le massime diurne e notturne) diminuirà la rugiada e le nebbie urbane che contribuiscono a depurare l aria dalle polveri in sospensione, ma questo aumento rafforzerà anche gli effetti di inversione termica e quindi favorirà l accumulo degli inquinanti nelle aree urbane. La circolazione della massa d aria all interno di una strada canyon (edifici più alti della larghezza della strada) è relativamente complessa e specifica e può generare accumuli localizzati, come mostrato in Figura 4. Schema semplificato del flusso dell aria in una strada canyon Legenda: Vento incidente Inquinamento di fondo Ricircolo dell aria Lato sottovento Contributo diretto dei gas di scarico Lato sopravento Figura 4. Schema semplificato del flusso dell aria in una strada canyon Legenda: Vento incidente Inquinamento di fondo Ricircolo dell aria Lato sottovento Contributo diretto dei gas di scarico Lato sopravento 10

13 La rete formata dalle strade può inoltre generare effetti canyon con canalizzazioni e accelerazioni dei venti sinottici. Occorre quindi utilizzare modellizzazioni più fini allo scopo di descrivere in modo opportuno le influenze dei fabbricati sulla dispersione. I modelli che trattano questi casi sono: modelli stradali, tipo STREET, o urbani, come SIRANE o ADMS Urban, per la dispersione degli inquinanti attorno alle arterie stradali. modelli industriali, destinati a studiare la dispersione delle sorgenti occasionali o diffuse, prendendo in considerazione l impatto dei fabbricati sulla dispersione. Per conoscere le emissioni dei veicoli in modo preciso, deve essere disponibile le emissioni su una rete di vie e strade Conclusione Questa analisi delle specificità regionali per la modellizzazione della qualità dell aria nell area Alcotra ha dimostrato la coesistenza di varie tipologie di regioni che richiedono approcci diversi per la modellizzazione della qualità dell aria. Allo scopo di descrivere nel dettaglio le diverse modellizzazioni attuate nelle regioni dell area Alcotra, nella seconda parte della presente relazione vengono trattate tre tipologie di modellizzazioni: La modellizzazione industriale; La modellizzazione urbana; La modellizzazione regionale. 11

14 2 SCHEDA METODOLOGICA: LA MODELLIZZAZIONE INDUSTRIALE 2.1 PROBLEMATICA SITUAZIONE INIZIALE La modellizzazione industriale riguarda la valutazione dell impatto sull ambiente e sulle popolazioni vicine, di un impianto industriale o di un gruppo di impianti destinati ad emettere prodotti inquinanti nell aria. Questi effetti sono considerati da un punto di vista regolamentare nell ambito degli studi d impatto o degli studi di pericolosità, richiesti dalle autorità amministrative prima dell installazione o dello sviluppo di un impianto. Gli studi di pericolosità si prefiggono di valutare gli effetti consecutivi a un evento grave presso lo stabilimento (incendio, perdita di confinamento). In questo caso, le quantità di inquinanti emesse sono elevate, ma limitate a un periodo relativamente breve durante il quale viene attivato il servizio di sicurezza per neutralizzare l incidente. Le aree geografiche interessate sono spesso relativamente vicine alla sorgente. Queste applicazioni non rientrano nell ambito della presente scheda metodologica. Gli studi d impatto hanno lo scopo di valutare gli effetti sull ambiente dell impianto industriale in condizioni operative normali. Oggi comprendono anche un capitolo dedicato alla salute, destinato a valutare l esposizione delle popolazioni vicine. In questo caso, ci si pone in una logica di lungo periodo, ricercando le concentrazioni annuali o pluriennali che saranno introdotte nei modelli di esposizione. Una terza applicazione possibile riguarda le aree molto industrializzate, grandi emettitrici di agenti inquinanti. Può essere molto utile per gli amministratori considerare i diversi contributi degli emittenti ai livelli di inquinamento registrati nell area geografica. Si tratta di valutare con la simulazione di episodi di inquinamento l effetto delle emissioni industriali. La modellizzazione attorno a sorgenti puntuali, benché sia scientificamente la più antica e richieda limitate conoscenze tecniche, è poco utilizzata nelle reti di monitoraggio della rete Alcotra. Solo le regioni del Piemonte e della Valle d Aosta utilizzano il software SPRAY che verrà descritto in seguito. Questo tipo di modellizzazione tuttavia è interessante perché permette di determinare rapidamente le aree in cui l impatto di una o più sorgenti risulta maggiore e di individuare in modo più rigoroso i punti potenziali di installazione di strumenti di analisi della qualità dell aria nell ambito dell analisi. 2.2 GLI AGENTI INQUINANTI CONSIDERATI Gli inquinanti presi in considerazione in tale contesto sono principalmente: il biossido di zolfo (SO 2 ), emesso dagli impianti di combustione e nel corso di vari processi industriali, da una ventina d anni a questa parte oggetto di costanti sforzi di riduzione delle emissioni, gli ossidi di azoto(nox), emessi in generale dagli impianti di combustione, 12

15 le diossine, inquinanti particellari e gassosi, emesse da numerose industrie e oggetto di una severa sorveglianza, i metalli pesanti (sotto forma gassosa o di polveri), derivati da categorie ben individuate di processi industriali, anch essi sorvegliati a causa della loro elevata nocività (piombo, mercurio, cadmio, arsenico), prodotti specifici alle industrie considerate, se il loro effetto sulla salute umana presenta un rischio. Per gli inquinanti particellari e le polveri, la valutazione della dispersione e delle concentrazioni atmosferiche è completata dalla valutazione delle ricadute a terra, in particolare nell ambito degli studi d impatto. Infatti, la diffusione di inquinanti nel terreno e nei vegetali costituisce una via di esposizione che talvolta è indispensabile considerare. Dal punto di vista della modellizzazione, spesso è trattata con un modulo specifico incluso nel software incaricato di simulare il deposito. Il deposito secco (precipitazioni escluse) è configurato mediante una velocità di deposito che dipende dalla dimensione delle particelle e che permette di illustrare un flusso di deposito a terra. Quest ultimo è condizionato dalla gravità per le particelle più grosse, oppure dagli effetti di movimento browniani, per quelle più piccole. Il flusso di inquinanti che ricade a terra si scrive con la seguente formula: F(x, y) =VdC(x, y,0) dove Vd è la velocità di deposito e C(x, y,0) la concentrazione di inquinanti a livello del terreno. Per le emissioni industriali, il fenomeno di deposito è rappresentato nel modello con un impoverimento del pennacchio, in funzione del tempo e della distanza rispetto alla sorgente. Il deposito umido riflette il trasporto delle particelle da parte della pioggia, la nebbia, la foschia. Il flusso depositato dovuto a questi meccanismi spesso si traduce con il prodotto del tasso di precipitazioni per un coefficiente di lisciviazione; quest ultimo è difficile da valutare e ciò spiega le incertezze ammesse sulla quantificazione del deposito umido. In situazioni accidentali, gli inquinanti emessi possono essere gas pesanti. Ciò comporta un trattamento particolare del pennacchio e delle sue proprietà termodinamiche. Questo aspetto non è sviluppato nel presente documento poiché rientra in una problematica molto specifica che si allontana dai compiti delle reti di monitoraggio dell aria. Osservazione sullo stato dell arte: Lo studio dell impatto industriale ed in particolare delle emissioni derivanti dalle ciminiere di uno stabilimento è una delle applicazioni più antiche della dispersione atmosferica ed è alla base dello sviluppo dei primi modelli gaussiani. Si tratta però di un settore in cui esistono numerose riferimenti, relativi a campagne di misurazione di ampio respiro utilizzate per calibrare i modelli. È attorno a questo tipo di applicazione che si articola una parte importante degli obiettivi ricercati da iniziative come le Conferences on harmonization within atmospheric dispersion modelling for regulatory purposes. Questa manifestazione si svolge ogni due anni circa e rende conto delle iniziative miranti a promuovere una coerenza su scala europea dei codici numerici di modellizzazione della qualità dell aria (14 a conferenza in 13

16 Grecia a ottobre 2011). Per quanto riguarda le emissioni industriali, è stato sviluppato uno strumento di convalida che si riferisce a campagne di misurazione di ampio respiro ( Model Validation Kit ) ed è quello maggiormente descritto nei paragrafi successivi. 2.3 I DATI DI INPUT Le sorgenti Dobbiamo distinguere due tipi di sorgenti nel campo dell impatto industriale: - le sorgenti canalizzate, che designano le ciminiere degli stabilimenti e le brecce create da eventuali incidenti. Le emissioni associate sono facilmente quantificabili. Infatti, la geometria della sorgente (forma, dimensione, altezza), nonché le proprietà fisiche e termodinamiche delle emissioni (velocità di emissione, densità, temperatura dell agente inquinante emesso) possono essere misurate o calcolate e fornite direttamente al codice di calcolo della dispersione. Il background scientifico più importante in termini di strumenti e di convalida riguarda tali emissioni. I modelli di tipo gaussiano sono perfettamente adatti alla loro elaborazione essendo stati inizialmente sviluppati a tale scopo; - le sorgenti diffuse (superficiali o volumetriche), che designano le emissioni situate spesso a livello del suolo, provenienti dall attività quotidiana presso lo stabilimento: aree di stoccaggio, circolazione dei veicoli, emissioni dei fabbricati. Il loro contributo può rivelarsi molto importante, in particolare nei pressi dell impianto. Pertanto, i modelli tridimensionali sono quelli più adatti al trattamento del comportamento di tali emissioni. Purtroppo, il problema sta nella quantificazione dell emissione associata, difficilmente misurabile. Tuttavia è essenziale superare questa difficoltà se si vuole realizzare una modellizzazione corretta dei fenomeni. Infine, è importante ricordare che le applicazioni industriali inducono la presenza di gas dalle proprietà termodinamiche particolari (gas pesanti) e di particolato, le cui proprietà devono essere considerate nella giusta misura. Pertanto, è essenziale ottenere informazioni sulla granulometria degli elementi emessi, allo scopo di rettificare adeguatamente i parametri che condizionano la modellizzazione delle ricadute atmosferiche Il sito e la meteorologia Oltre all ambito d applicazione, la scala di modellizzazione e il tipo di codice che si desidera utilizzare definiscono la natura dei dati orografici da fornire. Come indicato in introduzione, il contesto in cui le emissioni industriali sono modellizzate rientra spesso nell ambito degli studi di pericolosità (emissioni accidentali) o d impatto (emissioni croniche). Emissioni accidentali In questo primo caso, l interesse è valutare le conseguenze indotte dall emissione di una quantità molto importante di inquinante in condizioni meteorologiche penalizzanti per la dispersione. Poiché ciò spesso comporta calcoli in campo vicino (presso il sito dello stabilimento o nei quartieri adiacenti), sarà senza dubbio necessaria una descrizione relativamente precisa dei fabbricati circostanti e dei rilievi. 14

17 Invece, i dati meteorologici si limitano a situazioni abituali o, al contrario, a configurazioni occasionali molto negative per la dispersione (nessuna dispersione del pennacchio). Sono definiti da una temperatura media, un livello di umidità relativa, una velocità del vento e un grado di turbolenza (che peraltro può essere collegato alle classi di stabilità di tipo Pasquill). Un analisi della situazione orografica ed economica del sito considerato potrà contribuire a diagnosticare le situazioni pertinenti da esaminare: ricerca delle aree più popolose, presa in considerazione di effetti locali (vicinanza al mare, forte rilievo). Poiché questo problema non rientra nell ambito diretto che riguarda le reti di monitoraggio dell aria, non sarà ulteriormente sviluppato in questo studio. Emissioni croniche Gli studi d impatto, soprattutto se sono seguiti da una valutazione dei rischi sanitari, richiedono la ricerca di concentrazioni in media annuale che saranno fornite ai modelli di esposizione. È quindi logico integrare dati meteorologici annuali che riguardano la temperatura, la velocità e la direzione del vento e qualsiasi elemento che possa valutare la stabilità atmosferica. Su quest ultimo punto, alcune stazioni meteorologiche possono fornire la nebulosità (in Ottaticon un valore compreso tra 1 e 8) e il numero di ore di esposizione al sole o irraggiamento. È quindi possibile dedurre le classi di stabilità di Pasquill attraverso tabelle di corrispondenza. Può essere anche molto pertinente includere un informazione sull altezza dello strato di rimescolamento, in particolare in condizioni di inversione termica. Bisogna prestare una cura particolare alla scelta della stazione meteo utilizzata per rappresentare la meteorologia del luogo studiato. Il problema è prendere in considerazione gli effetti dei venti locali (in particolare in presenza di rilievo) che comportano che il vento sul posto non presenti le stesse caratteristiche di quello a livello della stazione. L unica soluzione ragionevole sarà in alcuni casi disporre di una stazione sul posto stesso e realizzare misure su un periodo dato. L esercizio di modellizzazione consiste allora nel simulare tutte le situazioni meteorologiche recensite su un periodo rappresentativo (ad esempio 5 anni) da cui dedurne una valutazione delle concentrazioni medie annuali. Le situazioni meteorologiche sono in via di principio riunite per classi di caratteristiche simili alle quali si assegnano frequenze di apparizione. I valori delle concentrazioni annuali sono ottenuti effettuando la media dei valori calcolati per ogni classe ponderata per la loro frequenza di apparizione. Il caso particolare delle sorgenti diffuse I punti citati nei precedenti paragrafi sono complessivamente validi per la modellizzazione delle sorgenti diffuse. Gli strumenti tridimensionali sono tuttavia più adatti al loro trattamento. Infatti, i metodi di integrazione dei termini di superficie nei modelli gaussiani non sono sempre efficienti. Il costo elevato di attuazione dei modelli tridimensionali ne limita l uso al calcolo delle situazioni meteo occasionali. Ciò non è molto rigoroso, tenuto conto della natura di tali sorgenti, spesso presenti tutto l anno (aree di stoccaggio, luoghi di circolazione dei veicoli, emissioni dovute alle aperture dei fabbricati), all origine di un inquinamento tipicamente cronico. L integrazione della rosa dei venti annuale sul posto rimane il miglior trattamento, ma presenta l inconveniente di essere costosa. 15

18 2.4 I SOFTWARE DISPONIBILI Modello gaussiano Introduzione In generale, i modelli più utilizzati per gli studi delle emissioni industriali sono i modelli gaussiani. Storicamente, sono stati sviluppati in quest ottica precisa (sorgenti diffuse escluse). La preoccupazione costante dei ricercatori rimane il loro adattamento per prendere meglio in considerazione le specificità per cui non sono stati inizialmente progettati (presenza di ostacoli e di fabbricati, rilievo). Tuttavia, il loro grado di maturità appare soddisfacente per le applicazioni mirate. Numerosi esercizi di convalida e di confronto incrociato attestano questo dato di fatto. La comunità scientifica europea ha messo a punto uno strumento di convalida, il Model Validation Kit, disponibile su Internet al seguente indirizzo: Si tratta di un insieme di dati relativi a 4 campagne di misura di emissioni prodotte dalle ciminiere di stabilimenti in diverse città (Copenaghen, Kinkaid, Lillestrom e Indianapolis). Sono inoltre proposti alcuni strumenti di analisi statistica delle performance del software rispetto a queste informazioni misurate. Il trattamento delle sorgenti non puntuali (es. lineari, superficiali o volumetriche) è oggetto di trattamenti specifici nei modelli gaussiani. Si riscontrano pertanto diversi metodi: - l integrazione digitale di un infinità di sorgenti puntuali che rappresentano la sorgente reale, - la suddivisione della sorgente in un numero finito di sorgenti puntuali rigorosamente collocate e configurate in funzione del vento e della posizione dei ricettori, - l assimilazione della sorgente superficiale a una sorgente puntuale che deve essere correttamente localizzata in modo da rispecchiare le caratteristiche della sorgente reale a livello della dispersione (principio della sorgente virtuale). Possono essere ottenuti risultati relativamente eterogenei secondo la situazione e i parametri adottati. Si tratta di un limite nell uso dei modelli gaussiani. In qualsiasi caso, il maggior vantaggio di questi strumenti rimane il loro costo di implementazione ridotto che permette di realizzare un importante numero di simulazioni e quindi di stabilire bilanci annuali o pluriannuali in numerosi punti sul posto. L investimento in mezzi umani e materiali è relativamente basso. Infatti, l uso pertinente di questi modelli poggia innanzitutto sull esperienza sul campo, e i concetti pragmatici su cui si fonda non richiedono conoscenze approfondite in termini di analisi numerica. Si tratta di software che funzionano nella maggior parte dei casi su PC, in Windows, o anche MSDOS. Il loro costo in termini di tempi di calcolo e spazio di memoria dipende solo dalle esigenze dell utente. I prodotti disponibili 16

19 Tra i modelli gaussiani tradizionali testati e riconosciuti, possiamo citare: AERMOD. Si tratta di un modello di riferimento dell US-EPA (Agenzia dell ambiente americana). È disponibile gratuitamente su Internet, insieme alla relativa documentazione, al seguente indirizzo: I programmi sorgente scritti in fortran sono inoltre aperti se si desidera investire in sviluppi specifici. Sono forniti anche i moduli di preprocessore meteo e di terreno. La società Aria Technologies (www.aria.fr) commercializza il modello gaussiano Impact con un interfaccia grafica e diversi pre- e post-processing integrati (elaborazione degli aspetti a lungo termine, rappresentazione cartografica dei pennacchi, elaborazione statistica) e adatta alle applicazioni mirate. ADMS commercializzato in Francia dalla società NUMTECH (www.numtech.fr) propone anche un software di dispersione. Anche in questo caso si tratta di uno strumento interfacciato. Diversi tipi di risultati I modelli gaussiani sono spesso utilizzati in configurazioni a lungo termine per estrarre medie su un periodo prestabilito di concentrazioni di inquinanti o analisi statistiche. In configurazioni a breve termine, sono ottenute medie di concentrazione su periodi ridotti a una o poche ore, o a una scala mensile. Le concentrazioni sono rappresentate in generale da sezioni orizzontali del pennacchio, che permettono di visualizzare la concentrazione degli inquinanti su tutto l ambito di studio, di solito a livello del suolo. Il sistema di rappresentazione, se è collegato con un sistema d informazione geografica, dà luogo alla creazione di cartografie facilmente interpretabili. La maggior parte dei software permette inoltre di rappresentare le concentrazioni nell asse del pennacchio, a un altezza data, in funzione della distanza dalla sorgente. Si tratta di un informazione preziosa per valutare le distanze d impatto dell inquinamento Modelli euleriani 3D Introduzione Questi modelli costituiscono l unica alternativa ragionevole per l elaborazione digitale di situazioni complesse come: - le aree a forte rilievo (in particolare le montagne), - le situazioni in cui si desidera valutare l impatto della sorgente in campo vicino e in presenza di ostacoli (fabbricati), - la presa in considerazione corretta delle sorgenti diffuse. Il loro contesto di utilizzo è radicalmente diverso da quello precedentemente illustrato, poiché: - questi modelli sono pesanti da utilizzare (spazio di memoria e tempo di calcolo), - traggono origine dall installazione digitale di tecniche sofisticate di approccio delle equazioni fisiche e pertanto possono essere applicati in modo pertinente da utenti esperti. Infatti, la generazione di una maglia coerente, l adattamento dei parametri digitali, l identificazione e la neutralizzazione di eventuali artefatti numerici sono altrettante difficoltà che non possono essere sormontate senza un esperienza adeguata, - il loro uso è spesso limitato alla simulazione di situazioni puntuali, caratteristiche di un tipo di condizione meteo. La scelta di queste situazioni è dettata dalla predominanza di un dato 17

20 vento sul posto (previa analisi della rosa dei venti), la ricerca di scenari penalizzanti dal punto di vista della dispersione, la vicinanza di zone sensibili (centro abitato, scuole, ospedale, ecc.). Questi modelli sono oggetto di numerose convalide, spesso basate sul confronto con misure effettuate nella galleria del vento. In questo caso, i ricercatori verificano che sia correttamente riprodotto l impatto degli ostacoli che perturbano il pennacchio e che creano turbolenze, zone di accumulo di inquinanti o zone morte. Pertanto, esistono dati teorici dedotti da osservazioni che permettono di qualificare le aree turbolente che si creano attorno a un fabbricato assimilato a un isolato, situato nel flusso atmosferico. Queste formule permettono in particolare di verificare il corretto comportamento del modello nella simulazione degli effetti di turbolenza. Come sopra indicato, questi strumenti possono rivelarsi molto efficienti se si accetta di utilizzare una maglia sufficientemente fine per il calcolo. Il problema è trovare il giusto compromesso tra il numero di maglie consentito e il prezzo che ciò comporta in termini di tempi di calcolo e difficoltà numeriche. La maggior parte di questi strumenti è stata sviluppata su working station UNIX. I prodotti disponibili Si distinguono due classi di software tridimensionali disponibili sul mercato: quelli la cui finalità è la dispersione atmosferica e quelli che trattano complessivamente i problemi di meccanica dei fluidi, detti software di CFD (Computational Fluid Dynamics). Le equazioni e i metodi implementati sono complessivamente analoghi in entrambi i casi. Tuttavia, mentre la prima categoria include le specificità proprie al calcolo atmosferico (variabili meteorologiche), le altre trattano questo aspetto attraverso moduli indipendenti attivati secondo le necessità dell utente. Questi ultimi si integrano in un tool più globale il cui obiettivo va al di là del problema della dispersione (calcoli di combustione, interazione fluidostruttura, ecc.). Tra i software 3D specifici al calcolo di dispersione citiamo: ANSWER commercializzato dalla società ACRI (www.acri.fr) ARIA Local (o MERCURE) distribuito dalla società Aria Technologies (www.aria.fr) FLUIDYN Panache, commercializzato dalla società Transoft (www.fluidyn.com) I principi su cui sono sviluppati questi software si equivalgono nel complesso. Tra i software di meccanica dei fluidi più generali e comunque utilizzabili nel campo della dispersione (tool «CFD»), quelli più noti sono: CFX Tascflow (http://www.softscout.com/software/engineering/computational-fluid- Dynamics-CFD/CFX-TASCflow.html) è anche un prodotto molto diffuso in diversi settori industriali. FLUENT (www.fluent.com) è un software molto conosciuto ed efficiente nel campo dell industria aerospaziale e delle turbomacchine. È meno adatto ai problemi ambientali. PHOENICS (www.cham.uk) è un software molto aperto, che dispone di moduli specifici per l elaborazione della dispersione. STAR-CD (www.cd.co.uk) è uno dei software di CFD più noti sul mercato internazionale. 18

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