A. DOMINIJANNI, M. MANASSERO E N. GUARENA

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1 CRITERI DI OTTIMIZZAZIONE PER LA MESSA IN SICUREZZA DEI SITI CONTAMINATI MEDIANTE DIAFRAMMI VERTICALI E SISTEMI DI EMUNGIMENTO A. DOMINIJANNI, M. MANASSERO E N. GUARENA BARRIERE ATTIVE E PASSIVE: NUOVI MATERIALI E RECENTI SVILUPPI IN AMBITO PROGETTUALE E TECNOLOGICO Martedì 19 Settembre 2018 RemTech Expo 2018 (19, 20, 21 Settembre) FerraraFiere

2 BARRIERE VERTICALI E SISTEMI DI EMUNGIMENTO da Barrier Containment Technologies for Environmental Remediation Applications, edited by Rumer, R.R., e Ryan, M.E. (1995)

3 BARRIERE VERTICALI E SISTEMI DI EMUNGIMENTO Bowen, J.D., e Johnson, K.D., (1993) Pumping or Slurry Walls - Which Works Best for Groundwater Containment? In general, for low groundwater flow velocities, the optimal solution includes only pumping. As groundwater flow velocities increase, the most efficient solution includes both pumping and slurry walls. FLUSSO DELLA FALDA FLUSSO DELLA FALDA ZONA DI CATTURA POZZO ZONA DI CATTURA POZZO BARRIERA VERTICALE

4 NORMATIVA ITALIANA Il Decreto del Fare (D.Lgs. 69/2013) ha sostituito l Art. 243 del D.Lgs. 152/2006 ( Testo Unico Ambientale ) con il seguente Articolo: Art. 243 (Gestione delle acque sotterranee emunte) Al fine di impedire e arrestare l inquinamento delle acque sotterranee nei siti contaminati, oltre ad adottare le necessarie misure di messa in sicurezza e di prevenzione dell inquinamento delle acque, anche tramite conterminazione idraulica con emungimento e trattamento, devono essere individuate e adottate le migliori tecniche disponibili per eliminare,, o isolare le fonti di contaminazione dirette e indirette; - 2. Il ricorso al barrieramento fisico è consentito solo nel caso in cui non sia possibile conseguire altrimenti gli obiettivi di cui al comma 1 secondo le modalità dallo stesso previste.

5 INDICE 1. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA CON BARRIERE VERTICALI 2. RUOLO DELLA CONDUCIBILITA IDRAULICA DELLE BARRIERE VERTICALI 3. ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA 4. MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI (SOLUTI) ATTRAVERSO LE BARRIERE VERTICALI 5. ANALISI DI RISCHIO

6 INDICE 1. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA CON BARRIERE VERTICALI 2. RUOLO DELLA CONDUCIBILITA IDRAULICA DELLE BARRIERE VERTICALI 3. ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA 4. MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI (SOLUTI) ATTRAVERSO LE BARRIERE VERTICALI 5. ANALISI DI RISCHIO

7 CLASSIFICAZIONE SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA Schema di intervento di messa in sicurezza mediante barriera idraulica

8 CLASSIFICAZIONE SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA Schema di intervento di messa in sicurezza con barriera verticale collocata a monte idrogeologico dell area inquinata

9 CLASSIFICAZIONE SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA Schema di intervento di messa in sicurezza con barriera verticale collocata a valle idrogeologica dell area inquinata

10 CLASSIFICAZIONE SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA Schema di intervento di messa in sicurezza con barriera verticale chiusa

11 CLASSIFICAZIONE SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA Schema di intervento di messa in sicurezza con sistema di incapsulamento

12 INDICE 1. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA CON BARRIERE VERTICALI 2. RUOLO DELLA CONDUCIBILITA IDRAULICA DELLE BARRIERE VERTICALI 3. ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA 4. MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI (SOLUTI) ATTRAVERSO LE BARRIERE VERTICALI 5. ANALISI DI RISCHIO

13 PERMEABILITA DELLA BARRIERA VERTICALE PORTATA k Q L h Q L CONTAMINAZIONE

14 PERMEABILITA DELLA BARRIERA VERTICALE h J ad PORTATA k Q L FLUSSO CONVETTIVO k Jad L L CONTAMINAZIONE

15 PERMEABILITA DELLA BARRIERA VERTICALE h J ad C 1 < C 0 C 0 J d CONTAMINAZIONE L PORTATA k Q L FLUSSO CONVETTIVO k Jad L FLUSSO DIFFUSIVO * n D Jd L

16 PERMEABILITA DELLA BARRIERA VERTICALE Il perfetto intrappolamento del contaminante si ottiene quando il FLUSSO TOTALE J = J + J = 0 ad d n D C * 1 hopt = ln k C 0

17 PERMEABILITA DELLA BARRIERA VERTICALE DIFFERENZA DI CARICO IDRAULICO OTTIMALE, h opt (m) 100 n = 0.7, D * = m 2 /s 10 k = m/s 1 k = m/s 0.1 k = m/s 0.01 k = m/s CONCENTRAZIONE ESTERNA RELATIVA, C 1 /C 0

18 PERMEABILITA DELLA BARRIERA VERTICALE PERMEABILITA BARRIERA VERTICALE, k (m/s) DIFFERENZA DI CARICO IDRAULICO OTTIMALE, h opt (m) PORTATA DI EMUNGIMENTO, Q (m 3 m 2 s 1 ) n = 0.7, D * = m 2 /s, L = 0.6 m, C 1 /C 0 = 10 3

19 INDICE 1. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA CON BARRIERE VERTICALI 2. RUOLO DELLA CONDUCIBILITA IDRAULICA DELLE BARRIERE VERTICALI 3. ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA 4. MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI (SOLUTI) ATTRAVERSO LE BARRIERE VERTICALI 5. ANALISI DI RISCHIO

20 MARE ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA ACQUIFERO k aq = m/s Spessore H aq = 20 m FLUSSO DELLA FALDA MONTE IDROGEOLOGICO

21 MARE ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA FALDA CONTAMINATA MONTE IDROGEOLOGICO POZZI DI REIMMISSIONE POZZI DI EMUNGIMENTO

22 MARE ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA FALDA CONTAMINATA MONTE IDROGEOLOGICO BARRIERA VERTICALE POZZI DI REIMMISSIONE POZZI DI EMUNGIMENTO

23 ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA Le analisi numeriche sono condotte per valutare la fattibilità di una barriera verticale finalizzata al miglioramento della gestione e della sicurezza della barriera idraulica (che anche da sola garantisce la messa in sicurezza del sito). La realizzazione della barriera verticale permette di ottenere i seguenti risultati: 1. L aumento delle altezze di carico lungo la batteria di pozzi di reimmissione a parità di portata immessa o, viceversa, la riduzione delle portate di immissione necessarie per determinare gli stessi innalzamenti della falda; 2. L incremento delle zone di cattura dei pozzi di emungimento a parità di portata estratta; 3. La riduzione della fuoriuscita a mare dell acqua pulita reimmessa; 4. L incremento della durata dei transitori nel caso di spegnimento dei pozzi (scenario di completo black-out).

24 ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA La barriera verticale è costituita da una cortina di iniezioni a bassa pressione in canna valvolata (cosidetti tubes à manchettes ) di miscele cementizie, integrate con miscele silicatiche inorganiche nelle zone in cui il terreno è caratterizzato da permeabilità inferiori a m/s. Spessore equivalente = 3 m Conducibilità idraulica di progetto: m/s

25 ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA Piezometria in assenza della barriera verticale

26 ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA Piezometria in presenza della barriera verticale, a parità di portate di emungimento e reimmissione

27 ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA h IW / h IW,SB no barriera barriera Variazione dell innalzamento della superficie piezometrica (in corrispondenza dei pozzi di reimmissione), a parità di portata dei pozzi di reimmisione

28 ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA f out /f out, SB no barriera barriera Variazione del flusso in uscita verso il mare, a parità di portata dei pozzi di reimmissione

29 ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA Qimmessa/Qimmessa, SB no barriera barriera Variazione della portata immessa, a parità di innalzamento del livello idraulico nei pozzi di reimmissione.

30 ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA f out /f out, SB no barriera barriera Variazione del flusso in uscita verso il mare, a parità di innalzamento del livello idraulico nel pozzo di reimmissione

31 Percentuale guadagno ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA MIGLIORAMENTO DELLA GESTIONE DELLA MESSA IN SICUREZZA Flusso in uscita a parità di innalzamento La portata immessa in un pozzo di reimmissione, a parità di innalzamento della superficie piezometrica nel pozzo stesso, subisce un decremento pari al 24%; La riduzione del flusso verso il mare, a parità di innalzamento del livello idraulico nei pozzi di reimmissione, è pari a circa il 96%; Mantenendo costante la portata di immissione, la presenza della barriera permette di ridurre il flusso in direzione del mare di circa il 20%. Flusso verso il mare a parità innalzamento in uscita a parità di portata immessa Flusso verso il mare a parità di portata immessa immessa nel IW a parità di innalzamento Portata immessa in un pozzo di reimmissione, a parità di innalzamento

32 Carico idraulico al pozzo di emungimento, h PW [m] ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA no barriera barriera Tempo, t [day] Variazione nel tempo del carico idraulico in corrispondenza del pozzo di emungimento dopo lo spegnimento del pozzo stesso

33 ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA Andamento della concentrazione relativa in funzione del tempo

34 ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA MIGLIORAMENTO DELLA SICUREZZA DELLA MESSA IN SICUREZZA A seguito dello spegnimento dei pozzi (scenario di completo black-out), la presenza della barriera ha un duplice effetto sulla risalita del livello del carico idraulico: da un lato, comporta che il carico idraulico in condizioni di equilibrio sia più alto di circa 70 cm rispetto al caso senza barriera e, dall altro, fa sì che il raggiungimento delle condizioni di equilibrio avvenga in tempi più lunghi. La presenza della barriera, inoltre, limita la propagazione del contaminate. Lo scostamento tra i tempi di fuoriuscita dei picchi di concentrazione è notevole e permette, nel caso in cui sia presente la barriera verticale, di disporre di un tempo aggiuntivo significativo per ripristinare il sistema di pompaggio.

35 INDICE 1. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA CON BARRIERE VERTICALI 2. RUOLO DELLA CONDUCIBILITA IDRAULICA DELLE BARRIERE VERTICALI 3. ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA 4. MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI (SOLUTI) ATTRAVERSO LE BARRIERE VERTICALI 5. ANALISI DI RISCHIO

36 MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI k e << k b Q 1 = ( 2 2 ) k H h 2 L h H Q 1 k b h Q2 = F ke h d k e Q 2

37 Fattore di forma, F MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI h F x 1 1 = dx 2 2 d + x 0 d Schofield and Wroth (1968) (pagine del loro libro Critical State Soil Mechanics) x = 500 m x = 300 m x = 100 m x = 50 m x = 10 m Profondità immorsamento, d (m)

38 MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI C 1 < C 0 h J ad J d C 0 CONTAMINAZIONE L FLUSSO CONVETTIVO k Jad L FLUSSO DIFFUSIVO * n D Jd L FLUSSO DISPERSIVO?

39 MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI FLUSSO DISPERSIVO modellato come processo di trasporto di Fick (analogia con diffusione molecolare): c q Jm = n Dm Dm = x n FLUSSO DISPERSIVO-DIFFUSIVO (dispersione idrodinamica): ( * c J ) h = n Dm+ D x D h

40 MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI

41 Funzione di probabilità, f MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI i N J i = q i C exp(p ) C exp(p ) 1 0 Li 1 Li FLUSSO TOTALE J = N i= 1 N i ln(k) q k L h J i q L = n D i = i PLi *

42 Funzione densità di probabilità, p ( 10 8 ) Velocità del soluto, J/C 0 (m/s) MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI COVlnk = 2 % COVlnk = 4 % COVlnk = 6 % COVlnk = 8 % Conducibilità idraulica, k (m/s) lnk = ln(10 9 ); lnk = COV lnk N = 1000 n = 0.7 D * = m 2 /s h = 0.5 m COVlnk = 0 % COVlnk = 2 % COVlnk = 4 % COVlnk = 6 % COVlnk = 8 % Concentrazione esterna relativa, C 1 /C 0

43 INDICE 1. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI MESSA IN SICUREZZA CON BARRIERE VERTICALI 2. RUOLO DELLA CONDUCIBILITA IDRAULICA DELLE BARRIERE VERTICALI 3. ESEMPIO DI ANALISI NUMERICA 4. MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI (SOLUTI) ATTRAVERSO LE BARRIERE VERTICALI 5. ANALISI DI RISCHIO

44 ANALISI DI RISCHIO C 1? h J ad J d C 0 CONTAMINAZIONE FLUSSO DI CONTAMINANTE J = J + J = ad C exp(p ) C = q exp(p ) 1 d 0 L 1 P L q L = n D L * L

45 ANALISI DI RISCHIO CONTAMINAZIONE C 0 x C(x,y) FLUSSO DELLA FALDA q x y

46 ANALISI DI RISCHIO CONTAMINAZIONE C 0 X = x x FLUSSO DELLA FALDA q x Y = RC C(x,y) C C C x0 = = 0 x0 Y ( 2 = erfc exp Y + X) 2 X Y erfc X + 2 X y T y = q x q T e P L PL (e 1)

47 ANALISI DI RISCHIO C 0 h = 1 m Dati della barriera verticale: k = m/s L = 0.6 m n = 0.7 D * = m 2 /s = 100 m TERRENO CONTAMINATO y ACQUIFERO Dati acquifero: q x = 20 m/anno = m/s T = 1 m

48 ANALISI DI RISCHIO C 0 TERRENO CONTAMINATO h = 1 m y ACQUIFERO Concentrazione relativa, C(X,Y)/C X = 0.1 X = 0.5 X = Distanza relativa dalla barriera, Y X = 1 implica x = = 100 m Y = 1 implica y = ( T ) 0.5 = 10 m

49 CONCLUSIONI L ottimizzazione delle prestazioni dei sistemi di messa in sicurezza dei siti contaminati può essere ottenuta combinando i sistemi di controllo della falda di tipo idraulico e le barriere verticali a bassa conducibilità. I vantaggi che si posso conseguire mediante il ricorso alle barriere verticali riguardano sia la gestione delle opere idrauliche sia il livello di sicurezza complessivo. La conducibilità idraulica e lo spessore della barriera, così come le portate e il numero dei pozzi, sono definiti mediante la simulazione numerica dei processi di trasporto dei contaminanti presenti in falda, in funzione delle prestazioni attese. In presenza di un sistema di controllo della falda attivo, non si hanno particolari vantaggi dalla realizzazione di barriere verticali aventi una conducibilità idraulica molto bassa (inferiore di più di due ordini di grandezza della conducibilità idraulica del terreno naturale). Il processo di trasporto per dispersione non può essere modellato in analogia con la diffusione molecolare, nel caso in il flusso convettivo sia diretto nella direzione opposta di quello diffusivo. In questo caso, occorre ricorrere alla modellazione stocastica della conducibilità idraulica. Sono disponibili delle semplici soluzioni analitiche per un analisi di rischio preliminare (Livello II) nei siti in cui è ammesso un rilascio di contaminazione verso l esterno dell area contaminata, purché il rischio conseguente sia accettabile.

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