Obiettivi della Modellazione

Transcript

1 Università degli Studi di Catania sede di Enna Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Corso di Dinamica degli Inquinanti e bonifica dei siti contaminati, A.A Modellazione del Trasporto di contaminanti nelle Acque Sotterranee: Aspetti teorici ed applicativi dei software MODFLOW, MODPATH e MT3D dott. ing. Pietro Paolo Falciglia Obiettivi della Modellazione La modellazione della dinamica delle acque sotterranee e dei contaminanti presenti implica lo sviluppo di strumenti (modelli) che riproducano i processi che si verificano nei sistemi idrogeologici alla scopo di simulare, e quindi prevedere il comportamento degli stessi. Modello di simulazione: modello semplificato della realtà sufficientemente preciso da permettere previsioni corrette di fenomeni reali. 1

2 Modelli di Simulazione Esistono diverse tipologie di modelli di simulazione: Modelli Concettuali: i fenomeni da simulare vengono considerati analoghi ad altri, differenti dal punto di vista fisico, ma adeguati in termini di risposta; modelli Fisici: Se per riprodurre il comportamento del sistema originale si ricorre ad elementi fisici; modelli Matematici (analitici, numerici): il sistema viene rappresentato dalle funzioni matematiche che regolano i processi; modelli Empirici: non sono esplicitamente considerati i fenomeni fisici (approccio black-box). Simulazione mediante MODFLOW MODFLOW è un codice di calcolo che utilizza un modello matematico numerico delle acque sotterranee; MODFLOW è in grado di simulare la dinamica delle acque sotterranee e delle particelle di inquinanti in falda in conseguenza di un evento di contaminazione. Iterfacce grafiche: GROUNDWATER VISTAS; VisualMODFLOW. 2

3 Simulazione mediante MODFLOW Obiettivi della simulazione: Stimare l abbassamento e verificare la resa di un campo pozzi; stimare la concentrazione di un contaminante in qualsiasi punto del dominio; valutare la vulnerabilità di un acquifero alla contaminazione; come strumento di supporto alla formulazione del MODELLO CONCETTUALE (ai sensi del D.Lgs. 152/2006). Visual MODFLOW I CODICI DI CALCOLO utilizzati da Visual MODFLOW sono: MODFLOW, utilizza un modello di calcolo tridimensionale modulare (MODular) alle differenze finite per la simulazione di flussi di acque (FLOW) sotterranee; MT3D, utilizza un modello di calcolo alle differenze finite per risolvere equazioni tridimensionali di dinamica delle particelle in falda. MODPATH, utilizza uno schema di calcolo analitico tridimensionale per la determinazione delle traiettorie di flusso delle particelle. 3

4 Modellazione delle acque sotterranee: elementi di base per Visual MODFLOW Utilizzo delle equazioni che governano il flusso e la conservazione della massa per simulare il moto delle acque sotterranee ed il trasporto dei soluti; Caratterizzazione di tali equazioni mediante le caratteristiche fisiche (dati di input) del sistema da simulare: Proprietà idrogeologiche; Sorgenti (condizioni al contorno); Osservazioni (parametri di calibrazione) Le leggi fondamentali che governano la dinamica di una falda acquifera sono: Modellazione delle acque sotterranee: elementi di base per Visual MODFLOW Le leggi fondamentali che governano la dinamica di una falda acquifera sono: Legge di Filtrazione (Darcy): i= gradiente idraulico k= conducibilità idraulica v=k i [LT -1 ] Legge di Conservazione di massa: la portata massica di fluido che entra in un volume di controllo elementare deve essere pari alla portata massica di fluido che lo lascia. ( ρv ) ( ρv ) x y ( ρvz ) + + = 0 [M T x y z -1 L-2 ] z r= densità del fluido [M L -3 ] v= portata specifica [L 3 T -1 L -2 ] x y 4

5 Modellazione delle acque sotterranee: elementi di base per Visual MODFLOW EQUAZIONE GENERALE DI MOTO v v x y + x y vz + z = 0 dh v = k dl k x Operazioni e Dati richiesti: x h + k x y h + y h kz z z Immissioni o Estrazioni Discretizzazione nelle 3 direzioni principali x, y e z; Conducibilità idraulica (k x, k y, k z ); Immagazzinamento specifico (S s ); Condizioni iniziali; Condizioni al contorno. y + h W = Ss t Modifiche nell immagazzinamento Modellazione delle acque sotterranee: elementi di base per Visual MODFLOW INPUT AD UN MODELLO DI FLUSSO Condizioni al contorno del modello: Ricarica dell acquifero (R=P-r-ET); condizioni al contorno per il flusso (es: altezza piezometrica (t), fiumi, dreni); Proprietà idrogeologiche del modello: Conducibilità idraulica; porosità (Totale ed efficace); immagazzinamento (S y, S s ). Specific yield (S y ): Volume d acqua che un acquifero rilascia per unità di area, per abbassamento unitario del tetto di falda; Specific storage (S s ): Volume d acqua restituito dal volume unitario di un acquifero confinato per abbassamento unitario della piezometrica (1/m). 5

6 Modellazione del trasporto dei contaminanti: elementi di base per Visual MODFLOW Coeff. di Dispersione EQUAZIONE GENERALE DI MOTO (Trasporto e Diffusione) x i ( v C) D + W + C( r) = R ( kd) i Avvezione Trasporto per Avvezione x i C x j C t Il trasporto per avvezione e quello associato al campo di velocità dell acqua sotterranea; è la principale causa di trasporto nella maggior parte dei sistemi acquiferi. Trasporto per Dispersione Idrodinamica ij Dispersione Sorg./ Estraz. Reazioni Ritardo E causata dalle variazioni spaziali della velocità dell acqua di falda e determina l incremento naturale della dimensione del plume; determina la diminuzione della concentrazione. Concentrazione Modellazione del trasporto dei contaminanti: elementi di base per Visual MODFLOW La dispersione idrodinamica, espressa analiticamente mediante il coeff. di dispersione tiene essenzialmente conto di due processi: (D=D M +D 0 ) [L 2 /T -1 ] Dispersione meccanica (coeff. di dispersione meccanica D M ): processo fisico per cui il contaminante si muove attraverso i vuoti del terreno, attraverso un percorso tortuoso causando l accrescimento longitudinale e trasversale del plume. E funzione della porosità del terreno. D M =α i v i [L 2 /T -1 ] α= dispersività (long. α L, trasv. orizzontale α T, trasv vert α V ) [L] Rapporto (α T / α L ) 0,1 Rapporto (α V / α L ) 0,01 Generalmente α L =0,03-0,05 L plume (m) Diffusione molecolare (coeff. di diffusione molecolare D 0 ): processo fisico per cui il contaminante si muove a causa dei gradienti di concentrazione [L 2 /T -1 ]. 6

7 Modellazione del trasporto dei contaminanti: elementi di base per Visual MODFLOW Reazioni (processi chimico-fisici) Processi di adsorbimento-desorbimento (Isoterma lineare, di Freundlich, Langmuir, ecc.) Processi di degradazione (decadimento del 1 ordine, cinetica di Monod) Ritardo Rappresenta il ritardo del contaminante stesso rispetto alla falda idrica [ML -3 T -1 ]; E funzione del contaminante e del terreno; E legato analiticamente a k d (coefficiente di desorbimento) [L]. Rapporti di dispersione; Valori di diffusione; Parametri cinetici e di adsorbimento; INPUT AD UN MODELLO DI TRASPORTO Condizioni al contorno (Sorgente di contaminazione): Concentrazioni di inquinanti iniziali; Estensione della Sorgente. Adsorbimento Freundlich (1/n<1) Freundlich (1/n>1) q e q e 1 n q e = KC e C e C e Freundlich (1/n=1) Lagmuir q e q e qmaxbce qe = 1 + bc e C e C e 7

8 Modellazione del trasporto dei contaminanti: elementi di base per Visual MODFLOW INPUT AD UN MODELLO DI TRASPORTO: ASSEGNAZIONE DELLA CONCENTRAZIONE DI INQUINANTE Concentrazione costante (mg/l a T 1, T 2, T n ); concentrazione immessa puntualmente (mg/l a T 1 ); concentrazione per ricarica (Q1, C1); C1, Q1 C2, Q2 Cs= (c1q1+ C2Q2)/ (Q1+ Q2) Cs, QTot Tecniche di soluzione MODFLOW risolve le equazioni alle derivate parziali utilizzando il metodo delle DIFFERENZE FINITE; ciascuna maglia di MODFLOW rappresenta un volume elementare di calcolo; nelle equazioni di moto, la generica differenza infinitesima x viene sostituita con una differenza finita x (misurabile); il flusso attraverso l interfaccia tra cella e cella diventa: k x x h = k x Δx ( h h ) Δx ( h2 h Δx x + k x ) x x x La tecnica può essere applicata solo a grigliati con maglie rettangolari non deformate. 8

9 Step fondamentali per la simulazione della dinamica di un inquinante con Visual MODFLOW DETERMINAZIONE DELL AMBIENTE DI SIMULAZIONE 1. Ricostruzione dell ambiente fisico tridimensionale; 2. assegnazione dei relativi parametri idrogeologici; 3. caratterizzazione dei contaminanti e della sorgente di contaminazione; 4. determinazione degli intervalli temporali di calcolo; 5. calibrazione del modello. Il software consente inoltre l inserimento di condizioni a contorno, quali la presenza di: corsi d acqua superficiali, aree a drenaggio differenziato; pozzi di pompaggio di acque sotterranee. Step fondamentali per la simulazione della dinamica di un inquinante con Visual MODFLOW 1. RICOSTRUZIONE DELL AMBIENTE FISICO TRIDIMENSIONALE L ambiente fisico tridimensionale di simulazione deve ricostruire la morfologia dei luoghi e viene definito mediante l inserimento di punti identificati attraverso un sistema di assi cartesiani (x, y e z); permette di modellizzare tridimensionalmente il sito con più strati (layer) e di fissare una griglia a maglia quadrangolare con n-righe ed n-colonne. Da ciò si evince che è possibile parametrizzare ogni singola cella tridimensionale del solido che si viene a generare dall intersezione tra layer e griglia con le caratteristiche idrogeologiche del sito. I dati necessari per la realizzazione fisica del modello sono quindi: n di layer in cui si vuole suddividere il solido; n di righe e colonne della griglia; coordinate topografiche quotate x-y-z dei punti ricadenti all interno della zona interessata che determineranno l assetto morfoaltimetrico del sito; coordinate x-y-z dei punti che identificano il tetto degli strati sotterranei. 9

10 Step fondamentali per la simulazione della dinamica di un inquinante con Visual MODFLOW Permeabilità del terreno (K x, K y, K z ), [m/s]; Immagazzinamento specifico del terreno (S s ), [1/m]; porosità efficace del terreno (P e ); 2. ASSEGNAZIONE DEI PARAMETRI IDROGEOLOGICI L ambiente fisico discretizzato dovrà essere particolareggiato attraverso diversi parametri quali: porosità totale del terreno (P t ); ricarica (R) dell acquifero (i) [mm/anno]; evapotraspirazione (E) [mm/anno]. Step fondamentali per la simulazione della dinamica di un inquinante con Visual MODFLOW coefficiente k d di desorbimento; rapporto (α T / α L ); rapporto (α V / α L ); concentrazione di sversamento dell inquinante C i riferito all i-esimo intervallo temporale. caratterizzazione della superficie di sversamento 3. CARATTERIZZAZIONE DEGLI INQUINANTI La caratterizzazione degli inquinanti si effettuata assegnando specifici valori ai seguenti parametri: 10

11 Step fondamentali per la simulazione della dinamica di un inquinante con Visual MODFLOW 4. DETERMINAZIONE DEGLI INTERVALLI TEMPORALI DI CALCOLO Step fondamentali per la simulazione della dinamica di un inquinante con Visual MODFLOW 5. CALIBRAZIONE DEL MODELLO x simulate [m] y simulate [m] x osservate [m] y osservate [m] Calcolo di R Calibrazione Automatico Manuale Calcolo di R 11

12 Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato DESCRIZIONE DEL SITO Il sito oggetto di studio è ubicato nella zona industriale del Comune di Arquata Scrivia (AL). Sull area in esame, di superficie pari a circa m 2, insiste un deposito di prodotti petroliferi, principalmente biodiesel ed olii combustibili, con una movimentazione di circa t/anno. L attività del deposito consiste nel trasferimento e nello stoccaggio di prodotti petroliferi ricevuti attraverso oleodotto e/o autobotte. STORIA DEL SITO Unico evento rilevante è stato un caso di sversamento di prodotti petroliferi nel OBIETTIVI DELLA SIMULAZIONE Strumento di supporto per la formulazione del MODELLO CONCETTUALE ai sensi del D.M. 471/99. Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato INQUADRAMENTO IDROGEOLOGICO Le indagini effettuate hanno consentito di ricostruire la successione stratigrafica dell area interessata, così schematizzabile (dall alto verso il basso): terreni di riporto e suolo vegetale (1-2 m); alternanze di depositi ghiaioso-ciottolosi e livelli limosi (di 8-10 m); substrato marnoso argilloso m m Terreno di riporto e suolo vegetale Alternanza di depositi ghiaiosi e livelli argilloso-limosi Alternanza di depositi ghiaiosi e livelli argilloso-limosi saturi Substrato marnoso argilloso compatto 12

13 Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato STATO DELLA CONTAMINAZIONE RILEVATA Sondaggi terreno con C(Hc)>CMA D.M. 471/99 Sondaggi acque con C(Hc)>CMA D.M. 471/99 Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato Morfologia GENERAZIONE DEL MODELLO PER LA SIMULAZIONE STEP 1/4: Ricostruzione dell ambiente fisico diverse caratteristiche idrogeologiche S(830x630m) c.c. P1 i (x,y,z) Layer 1 Layer 2 P2 i (x,y,z) Superficie piezometrica 13

14 Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato GENERAZIONE DEL MODELLO PER LA SIMULAZIONE STEP 2/4: Assegnazione dei parametri idrogeologici Layer 1 Layer 2 K x k y k z S y P T P e P t R E (m/s) (m/s) (m/s) mm/anno mm/anno ,25 0,15 0, STEP 3/4: Caratterizzazione del contaminante α T / α L α V / α L K d D 0 D M Hc C>12 0,1 0, Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato GENERAZIONE DEL MODELLO PER LA SIMULAZIONE STEP 4/4: Definizione della modalità di sversamento Concentrazione costante t (giorni) Hc C>12 (mm/anno) Superficie di sversamento 14

15 Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato RISULTATI OTTENUTI: Evoluzione temporale del plume t=10 gg t=50 gg t=100 gg t=150 gg t=250 gg t=350 gg t=730 gg t=7300 gg Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato RISULTATI OTTENUTI: Sezione del Plume di contaminazione 15

16 Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato RISULTATI OTTENUTI: Analisi dei dati La velocità di espansione è maggiore nei primi giorni che seguono l evento di contaminazione (300 gg). Gli idrocarburi migrano nel sottosuolo saturo, longitudinalmente lungo la direzione preferenziale del flusso dell acquifero e verticalmente in profondità fino al substrato impermeabile interessando la falda per tutto il suo spessore (A). (A) È stata riscontrata buona compatibilità tra la zona interessata dall evoluzione del plume (a 20 anni) e l ubicazione dei punti di campionamento di acqua e terreno dove sono stati riscontrati livelli di contaminazione da idrocarburi pesanti (B). (B) Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato da idrocarburi Simulazione di un trattamento Pump & Treat La tecnologia denominata Pump&Treat, è comunemente utilizzata nel trattamento delle acque di falda, nel caso di inquinamento dovuto a idrocarburi, di acquiferi permeabili e soggiacenze della falda tali da rendere inapplicabili altri sistemi. La tecnica si compone di due fasi distinte: estrazione dell acqua di falda contenente l inquinante per mezzo di un sistema di emungimento delle acque sotterranee; trattamento dei volumi emunti in opportuni impianti. 16

17 Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato da idrocarburi Simulazione di un trattamento Pump & Treat Il calcolo della portata della pompa da installare nel pozzo di pompaggio, che deve consentire l asportazione dell inquinante surnatante e disciolto nell acquifero ha fornito in valore di Q pari a 1,5 l/sec (130 m 3 /giorno). Inizio dell attività di bonifica t=7300 giorni; termine della simulazione a t=9000 giorni; durata della simulazione: 1700 giorni; step per l elaborazione dati fissato a 50 gg. Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato da idrocarburi Simulazione di un trattamento Pump & Treat 17