(Suolo saturo e insaturo) Parte 1 (06)

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1 Corso di: DINAMICA DEGLI INQUINANTI (Suolo saturo e insaturo) Parte 1 (06) Università di Roma Tor Vergata Anno Accademico ing. Simona Berardi

2 ARGOMENTI TRATTATI: Principali parametri caratteristici degli ambienti aperti e confinati Migrazione da suolo saturo e insaturo in ambienti aperti (outdoor) Migrazione da suolo saturo e insaturo in ambienti confinati (indoor)

3 INTRODUZIONE DEFINIZIONE DEL MODELLO CONCETTUALE SORGENTE DI CONTAMINAZIONE (Suolo saturo e insaturo) Trasporto Bersaglio

4 Modello Concettuale Generico percolazion e LNAPL DNAPL prodotto libero

5 Esempio di Modello Concettuale Sorgente secondaria Meccanismi di Trasporto Vie di esposizione SUOLO Suolo superficiale 1. Contatto dermico 2. Ingestione SORGENTE PRIMARIA Suolo profondo Erosione ad opera del vento e dispersione in atmosfera Volatilizzazione e dispersione in atmosfera Percolazione e diluizione in falda ARIA Inalazione di particolato e vapori Ingestione ACQUE SOTTERRANEE Acque sotterranee ACQUE SUPERFICIALI Trasporto e dispersione in falda 1. Contatto dermico 2. Ingestione

6 FATTORI DI TRASPORTO Concentrazione nel Punto di Esposizione C poe = C s FT C poe = concentrazione al punto di esposizione C s = concentrazione in sorgente FT = fattore di trasporto Sorgente di contaminazione Meccanismi di trasporto Bersagli della contaminazione

7 FATTORI DI TRASPORTO Si elencano di seguito i fattori di trasporto che possono essere determinati a mezzo dell utilizzo di EQUAZIONI ANALITICHE: LF = fattore di lisciviazione in falda da suolo; DAF = fattore di attenuazione in falda; VF ss = fattore di volatilizzazione di vapori outdoor da suolo superficiale; iale; VF samb = fattore di volatilizzazione di vapori outdoor da suolo profondo; VF wamb = fattore di volatilizzazione di vapori outdoor da falda; PEF = emissione di particolato outdoor da suolo superficiale; PEF in = emissione di particolato indoor da suolo superficiale; VF sesp = fattore di volatilizzazione di vapori indoor da suolo; VF wesp = fattore di volatilizzazione di vapori indoor da falda; RDF = fattore di migrazione dall acqua di falda all acqua superficiale

8 FENOMENI DI TRASPORTO DEI CONTAMINANTI: Principali parametri caratteristici degli ambienti aperti e confinati

9 Principali parametri degli ambienti aperti Vie di migrazione: -volatilizzazione da suolo superficiale, suolo profondo e falda; -emissione di particolato da suolo superficiale. MCS: sorgente di contaminazione nel suolo insaturo MCS: sorgente di contaminazione nel suolo saturo

10 Principali parametri degli ambienti aperti SIMBOLO PARAMETRO UNITA' DI MISURA Valore di default doc. APAT (tab. 5.2) Necessità di misure sitospecifiche Caratteristiche ambienti outdoor δ air Altezza della zona di miscelazione cm 200 W ' Estensione della sorgente di contaminazione nella direzione principale del vento cm 4500 SI' S w ' Estensione della sorgente di contaminazione nella direzione ortogonale a quella principale del vento cm 4500 SI' A' Area della sorgente (rispetto alla direzione prevalente del vento) cm SI' U air Velocità del vento cm/s 225 SI' σ y Coefficiente di dispersione trasversale cm --- σ z Coefficiente di dispersione verticale cm --- τ Tempo medio di durata del flusso di vapore (RES.) anno 30 τ Tempo medio di durata del flusso di vapore (IND.) anno 25 P e Portata di particolato per unità di superficie g/(cm 2 -s) 6,90E-14

11 Principali parametri degli ambienti aperti Zona di miscelazione La zona di miscelazione viene identificata con il volume di aria all interno del quale si ipotizza avvenga la miscelazione tra i contaminanti volatili provenienti dal suolo e l aria stessa. Tale volume può essere schematizzato come un parallelepipedo la cui altezza è definita altezza della zona di miscelazione δ air [cm], avente per lati di base l estensione della sorgente nella direzione rispettivamente parallela W [cm] e ortogonale Sw [cm] a quella prevalente del vento.

12 Principali parametri degli ambienti aperti Altezza della zona di miscelazione in aria: δair [cm] L altezza della zona di miscelazione dell aria, δair, e lo spessore di aria, valutato dal piano campagna, nel quale avviene la miscelazione dei contaminanti. Secondo ipotesi conservative, si assume δair = 200 cm, equivalente all altezza, approssimata per eccesso, di un individuo adulto.

13 Principali parametri degli ambienti aperti Estensione della sorgente in direzione parallela alla direzione prevalente del vento W [cm] La determinazione di questo parametro richiede di individuare preventivamente la direzione prevalente del vento. Tale parametro coincide con la massima estensione della sorgente (nel suolo insaturo o in falda) lungo la direzione PARALLELA alla direzione prevalente del vento. Tale estensione superficiale è individuata dall area delimitata dalle maglie più esterne contenenti almeno un punto di campionamento con concentrazione di almeno un contaminante superiore ai valori di riferimento indicati dalla normativa vigente. In assenza di misure, si fa coincidere con la massima estensione del sito.

14 Principali parametri degli ambienti aperti Direzione prevalente del vento La direzione del vento viene in genere (per le equazioni analitiche) considerata costante sull area di interesse (dalla sorgente al bersaglio sia on-site che off-site) e pari al valor medio annuo nella medesima area. Il miglior criterio per l individuazione della direzione prevalente del vento è quello di utilizzare i diagrammi anemologici determinati da misure desunte da stazioni presenti sul territorio. E opportuno che la direzione prevalente del vento venga stabilita utilizzando una serie storica di dati (preferibilmente di 30 anni e comunque almeno 10) relativa alla stazione meteo più vicina al sito contaminato.

15 Principali parametri degli ambienti aperti Estensione della sorgente in direzione ortogonale alla direzione prevalente del vento Sw [cm] La determinazione di questo parametro richiede di individuare preventivamente la direzione prevalente del vento. Tale parametro coincide con la massima estensione della sorgente (nel suolo insaturo o in falda) lungo la direzione ORTOGONALE alla direzione prevalente del vento. Tale estensione superficiale è individuata dall area delimitata dalle maglie più esterne contenenti almeno un punto di campionamento con concentrazione di almeno un contaminante superiore ai valori di riferimento indicati dalla normativa vigente. In assenza di misure, si fa coincidere con la massima estensione del sito.

16 Principali parametri degli ambienti aperti Area della sorgente rispetto alla direzione prevalente del vento A [cm 2 ] L area della sorgente rispetto alla direzione prevalente del vento A [cm2] risulta essere data da prodotto tra l estensione della sorgente nella direzione parallela W e ortogonale Sw a quella principale del vento: Non entra in gioco direttamente in nessuno dei fattori di trasporto, ma può essere richiesto dai software per il calcolo di W e Sw. Il valore più conservativo è quindi, come per W ed Sw, il massimo.

17 Principali parametri degli ambienti aperti Velocità del vento U air [cm/s] La velocità del vento viene in genere (per i modelli analitici) considerata costante sull area di interesse (dalla sorgente al bersaglio sia on-site che off-site) e pari al valor medio annuo nella medesima area. Il parametro può essere determinato elaborando serie storica di dati (relativa ad un periodo di osservazione preferibilmente di 30 anni e comunque almeno di 10 anni) relativa alla centralina meteorologica più vicina al sito in esame e rappresentativa dello stesso. Il parametro entra in gioco nella determinazione di VFss, VFsamb, VFwamb, PEF. Il valore più conservativo è il minimo (LCL 95% dal momento che i dati sono>10).

18 Principali parametri degli ambienti aperti Velocità del vento U air [cm/s] I valori di velocità del vento forniti dalle centraline meteorologiche, in genere, corrispondono a misure effettuate alla quota di 10 m dal p.c.. Per stimare il valore di velocità alla quota di 2 m, e quindi in corrispondenza della zona di miscelazione, è possibile applicare la seguente relazione empirica [S.R. Hanna et al., 1982]: U U air air ( z ( z 1 2 ) ) = z z 1 2 p dove p è funzione della classe di stabilità atmosferica e della rugosità del suolo.

19 Principali parametri degli ambienti aperti Direzione e Velocità del vento U air [cm/s] In Tabella si riportano i valori di p per 2 tipi di rugosità, area urbana e rurale, e per le sei classi di stabilità atmosferica, secondo la classificazione di Pasquill-Gifford. Valori del parametro p p A B C D E F Suolo urbano 0,15 0,15 0,20 0,25 0,40 0,60 Suolo rurale 0,07 0,07 0,10 0,15 0,35 0,55 Nel caso in cui non sia possibile individuare il valore medio annuo della velocità del vento dell area in esame e non risulta quindi possibile identificare anche la classe di stabilità atmosferica rappresentativa, si deve fare riferimento a due categorie di stabilità: D5 e F2. In particolare, la classe D5 è considerata la classe che si verifica con più probabilità; mentre, la classe F2 rappresenta una scelta estremamente conservativa a carattere tipicamente notturno.

20 Principali parametri degli ambienti aperti La stabilità è un indicatore della turbolenza atmosferica e quindi della capacità di un contaminante di disperdersi nel mezzo. Per stimare la stabilità atmosferica è possibile utilizzare il criterio di classificazione di Pasquill-Gifford Gifford, che esprime la classe di stabilità in funzione della velocità del vento, della radiazione solare totale e della copertura nuvolosa. In particolare, distingue la stabilità atmosferica in sette classi di stabilità (A,B,C,D,E,F,G). La classe A è la più instabile, mentre la classe G è la più stabile. Tali classi sono ricavate in base a cinque classi di vento in corrispondenza della superficie, tre classi di insolazione e due classi di nuvolosità durante le ore notturne. Velocità del vento a 10 m dal p.c. (m/s) Radiazione solare Incidente (GIORNO) Copertura nuvolosa (NOTTE) Forte Moderata Debole 50 % < 50% calma G < 2 A A B B E F 2 3 A B B C E F 3 5 B B C C D E 5 6 C C D D D D > 6 C D D D D

21 Principali parametri degli ambienti aperti L applicazione dello schema sopra riportato nelle ore notturne richiede la conoscenza della nuvolosità, non facilmente ottenibile nelle comuni stazioni di monitoraggio. In alternativa, si può quindi individuare la classe di stabilità atmosferica in funzione del gradiente verticale della temperatura. Grado di stabilità Instabilità forte Instabilità moderata Instabilità debole Neutralità Stabilità debole Stabilità moderata Stabilità forte Categoria di Pasquill A B C D E F G Gradiente termico verticale ( C/100m) < -1.9 Da 1.9 a 1.7 Da 1.7 a 1.5 Da 1.5 a 0.5 Da 0.5 a +1.5 Da +1.5 a +4 > +4

22 Principali parametri degli ambienti aperti Coefficienti di dispersione atmosferica (σ y, σ z [m]) La stima dei coefficienti di dispersione, funzione della distanza x dalla sorgente inquinante e della turbolenza atmosferica, può essere ottenuta con due metodi differenti: 1. Tramite parametrizzazioni empiriche, che richiedono la determinazione delle classi di stabilità atmosferica; 2. Tramite misure dirette della turbolenza atmosferica. 1. Parametrizzazioni empiriche In letteratura esiste un ampio spettro di curve σ y, σ z valutate in funzione della distanza sottovento e della stabilità atmosferica e ricavate da campagne sperimentali. Le più usate sono: a. PASQUILL-GIFFORD GIFFORD: Le curve σ y, σ z di Pasquill e Gifford sono state ricavate per: sorgenti a bassa quota (<80m), aperta campagna, tempo di campionamento di circa 10 minuti, superficie relativamente piatta.

23 Principali parametri degli ambienti aperti Coefficienti di dispersione atmosferica (σ y, σ z [m]) a. PASQUILL-GIFFORT GIFFORT: Coefficiente di dispersione trasversale σ y (Turner, 1970) Coefficiente di dispersione verticale σ z (Turner, 1970)

24 Principali parametri degli ambienti aperti Coefficienti di dispersione atmosferica (σ y, σ z [m]) 1. Parametrizzazioni empiriche b. BRIGGS: Briggs combinò le curve di Pasquill-Gifford con quelle proposte da altri autori, insieme a ulteriori dati sperimentali, per produrre un insieme di funzioni oggi largamente usato, specialmente per scenari con sorgenti elevate. In particolare, viene distinta la diffusione su terreni pianeggianti (Aree aperte) da quella su terreni con alto coefficiente di rugosità (Aree urbane). I dati riportati in tabella sono validi per d compreso tra 100 m e km, inoltre sono valori riferiti a dati di concentrazione mediati ogni 30 minuti.

25 Principali parametri degli ambienti aperti Coefficienti di dispersione atmosferica (σ y, σ z [m]) 1. Parametrizzazioni empiriche b. BRIGGS: Equazioni per la determinazione dei coefficienti di dispersione in atmosfera (Briggs, 1973). Classe di stabilità di Pasquill σ y (m) σ z (m) Aree aperte (campagna) A 0.22d ( d) -1/2 0.20d B 0.16d ( d) -1/2 0.12d C 0.11d ( d) -1/2 0.07d ( d) -1/2 D 0.08d ( d) -1/2 0.06d ( d) -1/2 E 0.06d ( d) -1/2 0.03d ( d) -1 F 0.04d ( d) -1/ d ( d) -1 Aree Urbane A B 0.32d ( d) -1/ ( d) -1/2 C 0.22d ( d) -1/2 0.20d D 0.16d ( d) -1/2 0.14d ( d) -1/2 E - F 0.11d ( d) -1/2 0.08d ( d) -1/2 d = Distanza dalla sorgente al bersaglio (m).

26 Principali parametri degli ambienti aperti Tempo medio di durata dei flussi di vapore τ [s] Indica la durata di esposizione ai flussi di vapore. Per l applicazione di modelli analitici tale parametro viene in genere fatto coincidere con la durata media di esposizione del recettore (Valore di default: 30 anno per residente; 25 anni per lavoratore). [Standard ASTM- 1739] Portata di particolato emessa per unità di superficie Pe [g/(cm2-s)] Tale parametro indica la quantità di polveri emesse per unita di superficie e di tempo. Per l applicazione di modelli analitici tale parametro viene in genere assunto pari a 6,9E-14 [g/(cm2-s)]. [Standard ASTM-1739]

27 Principali parametri degli ambienti confinati Vie di migrazione: -volatilizzazione da suolo e falda; -emissione di particolato da suolo superficiale. MCS: sorgente di contaminazione nel suolo insaturo ed edificio parzialmente interrato MCS: sorgente di contaminazione nel suolo saturo ed edificio fuori terra

28 Principali parametri degli ambienti confinati SIMBOLO PARAMETRO UNITA' DI MISURA Valore di default doc. APAT (tab. 5.2) Necessità di misure sitospecifiche Caratteristiche ambienti indoor (1/2) A b Superficie totale coinvolta nell'infiltrazione cm SI' L crack Spessore delle fondazioni/muri cm 15 SI' L b Rapporto tra volume indoor ed area di infiltrazione (RES.) cm 200 SI' L b Rapporto tra volume indoor ed area di infiltrazione (IND.) cm 300 SI' η Frazione areale di fratture adim. 0,01 θ wcrack Contenuto volumetrico di acqua nelle fratture adim. 0,12 θ acrack Contenuto volumetrico di aria nelle fratture adim. 0,26 ER Tasso di ricambio di aria indoor (RES.) 1/s 0,00014

29 Principali parametri degli ambienti confinati Caratteristiche ambienti indoor (2/2) ER Tasso di ricambio di aria indoor (IND.) 1/s 0,00023 L T Distanza tra il top della sorgente nel suolo insaturo (in falda) e la base delle fondazioni cm 0 (285) SI' Z crack Profondità delle fondazioni cm 15 SI' K v Permeabilità del suolo al flusso di vapore cm 2 1,00E-08 p Differenza di pressione tra indoor e outdoor g/(cm*s 2 ) 0 µ air Viscosità del vapore g/(cm*s) 1,81E-04 τ Tempo medio di durata del flusso di vapore (IND.) anni 25 τ Tempo medio di durata del flusso di vapore (RES.) anni 30 F i Frazione di polvere indoor adim. 1

30 Principali parametri degli ambienti confinati Superficie delle fondazioni e delle pareti coinvolte dall infiltrazione A b [cm 2 ] Rappresenta la superficie dell edificio complessivamente interessata dal fenomeno di infiltrazione indoor dei contaminanti. Nel caso di edificio e/o locale fuori terra, questa coincide con l area delle fondazioni, ossia l area della base della struttura: A b = a b Nel caso di locali interrati o seminterrati, tale superficie sarà data dalla somma dell area della base dell edificio più l area delle pareti interrate: A b = ( a b) + 2( a c) + 2( b c) I simboli a e b indicano rispettivamente la larghezza e la lunghezza dell edificio, mentre c indica l altezza della parete interrata. Il parametro entra indirettamente nel calcolo di VF sesp e VF wesp. Il valore maggiormente conservativo è il massimo.

31 Principali parametri degli ambienti confinati Spessore delle fondazioni/muri L crack [cm] Nel caso di locale fuori terra, il valore di tale parametro coincide con lo spessore delle fondazioni dell edificio assunto come rappresentativo. Nel caso di locale seminterrato, il valore di tale parametro coincide con lo spessore minimo tra quello delle fondazioni e quello dei muri (coinvolti dal fenomeno di infiltrazione) dell edificio assunto come rappresentativo. E opportuno che venga determinato per tutte le tipologie di edifici presenti sul sito contaminato attraverso l analisi della cartografia disponibile (planimetrie, sezioni costruttive, elaborati progettuali). Il valore selezionato sarà quello relativo all edificio (o agi edifici) con caratteristiche più conservative (ad es. edifici interrati, edifici con poco ricambio d aria, edifici con maggiore permanenza di lavoratori/residenti). Il parametro entra nel calcolo di VF sesp e VF wesp. Il valore maggiormente conservativo è il minimo.

32 Principali parametri degli ambienti confinati Rapporto tra volume indoor e area di infiltrazione L b [cm] Nel caso di edifici fuori terra il rapporto tra volume e area dell edificio coincide con l altezza h dell edificio stesso: Nel caso di locali interrati o seminterrati, tale rapporto risulta inferiore all altezza dell edificio, poiché nel calcolo di A b si tiene conto anche dell area delle pareti interrate soggette a infiltrazione: Il parametro entra nel calcolo di VF sesp e VF wesp. Il valore maggiormente conservativo è il minimo. L L V b b = = A V A b b b = < b h h

33 Principali parametri degli ambienti confinati Frazione areale di fratture η [adim.] La frazione areale di fratture rappresenta il rapporto tra l area delle fratture nella superficie di infiltrazione e l area totale della superficie: η = A A Può variare in un range compreso tra 0 (superficie priva di fratture) e 1 (superficie priva di pavimentazione). Il valore che è possibile assumere quale default è pari a 0,01 [RBCA ASTM-1739]. Si osserva comunque che tale valore può essere determinato anche direttamente sulla base delle risultanze di indagini specifiche condotte sul sito oggetto di analisi e/o di stime indirette effettuate su un numero significativo di punti secondo quanto indicato nel documento EPA User s Guide for Evaluating Subsurface Intrusion into Buildings (EPA, 2003). crack b

34 Principali parametri degli ambienti confinati Contenuto volumetrico di acqua e aria nelle fratture θ wcrack, θ acrack [adim.] Rappresentano il contenuto di acqua e di aria presente nelle fratture delle fondazioni. Essendo parametri adimensionali, nell uso pratico, essi si misurano rispettivamente in (cm 3 -acqua) e (cm 3 -aria) / (cm 3 -volume totale delle fratture). Essendo parametri difficilmente misurabili a mezzo di indagini dirette, per essi si assumono, in genere, i valori di default contenuti nello standard [RBCA ASTM-1739].

35 Principali parametri degli ambienti confinati Tasso di ricambio d aria indoor ER [1/s] Con questo termine si indica la quantità di aria che viene scambiata tra l ambiente confinato e l ambiente esterno. Di solito si esprime facendo riferimento ad 1 litro di aria e pertanto le sue dimensioni assumono la forma di s -1. Sono stati effettuati 22 studi su oltre 290 edifici. Da essi sono risultati come valori medi: - 5 d -1 =5,8E-05 s -1 per il 10 percentile, -12 d -1 = 1,41E-04 s -1 per il 50 percentile, - 35,5 d -1 =4,1E-04 s -1 per il 90 percentile. Si e osservato che il tasso di ricambio d aria varia a seconda delle stagioni e delle differenze climatiche. Per esempio in inverno, in una regione con il clima freddo, ER sara maggiore di quello che si verifica in una regione con il clima caldo. Il documento dell EPA [EPA, 2003] propone come valore di default 6 d -1 =6,9E-05 s -1 che rappresenta il 10 percentile. Mentre, gli standard ASTM e PS assumono, per un livello 1 di analisi, un valore pari a 12 d -1 per edifici ad uso residenziale, e 20 d -1 per edifici ad uso industriale.

36 Principali parametri degli ambienti confinati Distanza tra il top della sorgente nel suolo insaturo (o in falda) e la base delle fondazioni L T [cm] Tale parametro indica la distanza tra il top della sorgente di contaminazione e la base delle fondazioni: L L T T = = L L S GW Z Z crack crack (volatilizzazione da suolo) (volatilizzazione da falda) Nel caso di edifici fuori terra, si può ragionevolmente effettuare la seguente approssimazione: L T = L S L T = L GW (volatilizzazione da suolo) (volatilizzazione da falda) Per il suolo profondo si ha che il valore minimo di Ls è 1 m. Il valore maggiormente conservativo è pertanto il minimo.

37 Principali parametri degli ambienti confinati Profondità delle fondazioni Z crack [cm] Questo parametro rappresenta la distanza tra il piano campagna e la base delle fondazioni. Nel caso di edifici fuori terra, coincide con lo spessore delle fondazioni: Z crack = L crack Il valore maggiormente conservativo è il minimo.

38 Principali parametri degli ambienti confinati Permeabilità del suolo al flusso di vapore k v [cm 2 ] Per la stima indiretta di tale parametro in genere si assume il valore di 10-8 [RBCA ASTM-1739]. E comunque possibile riferirsi anche ai valori di seguito riportati: -per le sabbie medie il valore di k v varia da 10-7 a 10-6, - per quelle fini da 10-8 a 10-7, -per il limo da 10-9 a 10-8, -per l argilla da a 10-9.

39 Principali parametri degli ambienti confinati Differenza di pressione tra aria outdoor e indoor P [g/(cm s 2 )] Con tale parametro si tiene conto della possibile presenza di gradienti di pressione tra ambiente aperto e ambiente confinato. La depressurizzazione dell ambiente indoor può essere dovuta alla velocità del vento, alla differenza di temperatura indoor-outdoor e allo squilibrio (riduzione) dei meccanismi di ventilazione. L effetto del vento e quello della temperatura sono dello stesso ordine di grandezza [EPA, 2003]. In particolare, in riferimento all effetto della temperatura, l ambiente indoor si trova, generalmente, ad una temperatura maggiore rispetto a quella outdoor, di conseguenza la pressione indoor è minore di quella outdoor. Quindi, la depressurizzazione è presente soprattutto in inverno.

40 Principali parametri degli ambienti confinati Differenza di pressione tra aria outdoor e indoor P [g/(cm s 2 )] La differenza di pressione provoca un flusso convettivo di vapore che, attraversando la matrice suolo e le fondamenta dell edificio, penetra all interno della struttura stessa. Tale parametro può assumere un range di valori compreso tra 0 e 200 g/(cm s 2 ) [Jonson-Ettinger, 1991] [EPA, 2003]. Il valore preso come default da [Johnson-Ettinger, 1991] e di 10 g/(cm s 2 ), mentre quello di [EPA, 2003] e di 40 g/(cm s 2 ). In quest ultimo caso, si ipotizza un P, pari a 20 g/(cm s 2 ), dovuto al contributo del vento e un P, pari a 20 g/(cm s 2 ), dovuto all effetto della temperatura.

41 Principali parametri degli ambienti confinati Viscosità del vapore µ air [g cm -1 s] Tale parametro e costante ed e pari a 1,81x10-4 (g cm -1 s) Tempo medio di durata dei flussi di vapore τ [s] Indica la durata di esposizione ai flussi di vapore e viene presa coincidente con la durata di esposizione del bersaglio della contaminazione. I valori in genere assunti come default sono pari a 30 anni per i residenti e 25 anni per i lavoratori.

42 FATTORI DI TRASPORTO: Standard di riferimento ASTM E-1739 E (USA 1995) Standard guide for Risk Based Corrective Action Applied at Petroleum Release Sites-RBCA RBCA. EPA (USA 1994) Technical Backgroud Document for Soil Screening Guidance ASTM PS-104 (USA 1998) Standard provisional guide for Risk-Based Corrective Action EPA (USA 1996) Soil Screening Guidance: Fact Sheet. UNICHIM Manuale n. 196/1 Suoli e falde contaminati, analisi di rischio sito- specifica, criteri e parametri. CONCAWE Report 3/03: european oil industry guideline for risk based assessment of contaminated sites.

43 VOLATILIZZAZIONE IN AMBIENTI APERTI δair SORGENTE DI CONTAMINAZIONE: a) suolo superficiale (SS) b) suolo profondo (SP) c) falda (GW) MODALITA DI ESPOSIZIONE: Inalazione in ambienti aperti (OUTDOOR) hp. 1) Concentrazione inquinante uniformemente distribuita e costante per tutto il periodo di esposizione 2) Non si considerano i fenomeni di biodegradazione

44 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SS (VF ss ) VF ss = C C poe s mg 3 m aria mg Kg suolo Il fenomeno di volatilizzazione di vapori da suolo superficiale (SS) in ambienti aperti (outdoor) è un processo secondo il quale i flussi di vapore organici presenti nella porzione superficiale di terreno migrano verso l aria al di sopra della superficie del terreno stesso. Il fattore di volatilizzazione in aria outdoor da SS si esprime come rapporto tra la concentrazione della specie chimica nel punto di esposizione (in aria) e quella in corrispondenza della sorgente di contaminazione (suolo superficiale):

45 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SS (VF ss ) Modello di Jury [Jury et al. 1990]: Il modello di volatilizzazione da suolo superficiale, alla base delle equazioni previste dagli standard ASTM 1739/95 e PS 104/98 e dai documenti US EPA [US EPA, 1994] [US EPA, 1996], e quello di Jury [Jury et al. 1990]. Il modello di Jury prevede la determinazione del flusso istantaneo di vapori contaminati per unita di superficie, J [mg/(cm 2 giorno)], sia per il modello a sorgente finita che per il modello a sorgente infinita. Tuttavia i documenti di riferimento, in via cautelativa, adottano come soluzione per la stima del fattore di volatilizzazione il modello a sorgente infinita e quindi ci si limita a descrivere solo quest ultimo. Le principali ipotesi del modello sono le seguenti: 1. Il flusso di vapori avviene in condizioni stazionarie (non vi e riduzione nel tempo della contaminazione alla sorgente dovuta ai fenomeni di volatilizzazione - sorgente uniforme e continua). 2. Flusso completamente diffusivo. 3. La colonna di suolo (di spessore d infinito) è uniformemente contaminata e perfettamente omogenea per caratteristiche fisiche.

46 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SS (VF ss ) La stima del flusso di vapori J al tempo t per una sorgente infinita e data dalla seguente equazione: dove: C 0 [mg/m 3 ] è la concentrazione (iniziale) del contaminante nel suolo (espressa rispetto al volume totale di suolo); C s [mg/kg] è la concentrazione (iniziale) del contaminante nel suolo (espressa rispetto alla massa di suolo); D A [cm 2 /giorno] e il coefficiente di diffusione effettiva; t [giorni] e il tempo in cui viene valutato il flusso.

47 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SS (VF ss ) Il coefficiente di diffusione effettiva tiene conto della diffusività del contaminante dall aria e dall acqua interstiziale, delle caratteristiche del suolo (porosità, contenuto volumetrico di aria e di acqua) e dell equilibrio di partizione del contaminante tra le varie parti del suolo (particelle di suolo, aria interstiziale ed acqua interstiziale). L espressione del coefficiente D A e la seguente: D A = D eff s K sa = D a θ θ 3.33 a 2 e + D H w θ θ 3.33 w 2 e θw + K ' H ρ + s s ' H θ a dove: D s eff [cm 2 /giorno] è il coefficiente di diffusione efficace; K sa [adim.] è il coefficiente di partizione suolo/aria. (visto in precedenza)

48 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SS (VF ss ) Per ottenere la stima del flusso di contaminanti, J ave [mg/(cm 2 giorno)], in un dato periodo di esposizione (τ) occorre integrare il flusso istantaneo e mediarlo sulla durata di esposizione. L espressione è la seguente: Una volta stimato il flusso di inquinante mediato per unita di superficie J ave, l altro meccanismo di attenuazione delle concentrazioni e rappresentato dalla miscelazione del flusso proveniente dal suolo con l aria in atmosfera. La miscelazione viene stimata attraverso un bilancio di portate di massa, all interno della zona di miscelazione in aria: M + aria, out = M aria, in M suolo

49 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SS (VF ss ) W U air M δ air aria, in = Caria, in Qaria = 0 M = C ( Q + Q aria, out aria, out aria suolo p.c. ) M suolo = J ave A = J ave ( W ' S ' w ) Si suppone che non vi sia contaminazione nell aria esterna a monte della zona di miscelazione (C aria,in = 0). Q 3 m ' aria = U air δ air Sw suolo Qaria day Q << Qsuolo + Qaria Qaria ' ave aria, out = M aria, in M suolo C U S = J A M + aria, out air δ air w C aria, out = J U ave air ' S δ w air W S ' ' w = 2ρsCsW U δ air air ' DA πτ VF ss C g = cm aria, out = 3 C s

50 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SS (VF ss ) Il considerare lo spessore della contaminazione d infinito comporta delle stime estremamente conservative, in particolar modo per i composto volatili. Per tale ragione, in genere, l equazione analitica VF ss (1) viene associata ad un altra equazione VF ss (2). L equazione VF ss (1) tiene conto della estensione superficiale della sorgente di contaminazione, delle caratteristiche della zona di esposizione, della partizione dell inquinante nelle tre fasi del terreno (solida, liquida e gassosa) e della diffusività effettiva nel suolo. L equazione VF ss (2) consiste in un bilancio di massa e non considera le caratteristiche proprie dell inquinante. Tale equazione rappresenta il limite superiore dell equazione VF ss (1) che e basata su un modello di sorgente semi-infinita, ossia di spessore infinito. In tale espressione, d indica lo spessore della sorgente di contaminazione nel suolo superficiale (SS). Tale valore può essere al massimo pari ad 1 metro. M suolo ( ' C U δ S ) τ ' ( TOT ) = Cs ρs ( d W ' Sw) = M aria, out( TOT ) = a, out air air w VF ss (2) = C a, out C s = ρs d W ' U δ τ air air VF ss C g = cm aria, out = 3 C s

51 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SS (VF ss ) VF ss ' eff 2W ρ s Ds H ( 1) = 10 U δ πτ air air ( ϑ + k ρ + Hϑ ) w s s a 3 VF ss C kg = m aria, out = 3 Cs VF ss ' W ρ sd ( 2) = 10 U δ τ air air 3 D eff s = D a θ θ 3.33 a 2 e + D H w θ θ 3.33 w 2 e (ASTM E-1739E e ASTM PS ) In genere, si effettua il calcolo di entrambe le equazioni e la selezione di quella che restituisce il valore minore. Ciò si traduce in pratica nell applicazione della VF ss (1) per i composti poco volatili e della VF ss (2) per quelli molto volatili. L utilizzo della equazione VF ss (1) per i composti volatili comporta valori di VF ss troppo alti e quindi troppo conservativi.

52 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SS (VF ss ) Confronto tra VF ss (1) e VF ss (2) Sostanze chimiche selezionate per l analisi: l Specie chimica n. Costante di Henry D air adim. cm 2 /s Cloruro di vinile 1 1,09E+00 1,06E-01 1,1,2-Tricoloetano 2 7,05E-01 7,80E-02 Benzene 3 2,31E-01 8,80E-02 Tricloroetilene 4 4,18E-01 8,18E-02 Mercurio 5 4,70E-01 3,07E-02 2-Clorofenolo 6 1,60E-02 5,01E-02 PCB 7 4,45E-02 4,30E-02 Pentaclorofenolo 8 1,00E-06 5,60E-02 Crisene 9 3,88E-03 2,48E-02 Σ PCDD, PCDF 10 1,35E-03 1,00E-01 Benzo(a)pirene 11 4,63E-05 4,30E-02 + VOLATILI - VOLATILI

53 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SS (VF ss ) Andamento di VFss(1) e di VFss(2) VFss (1) (Kg/m3) VFss (2) (Kg/m3) 1,00E+00 1,00E-01 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 1,00E-05 1,00E-06 1,00E-07 1,00E-08 log VFss(1) e VFss(2) [Kg/m3] Benzo(a)pirene SPCDD, PCDF Crisene Pentaclorofenolo PCB 2-Clorofenolo Mercurio Tricloroetilene Benzene 1,1,2-Tricoloetano Cloruro di vinile

54 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SP (VF samb ) Il fenomeno di volatilizzazione di vapori da suolo profondo (SP) in ambienti aperti è un processo secondo il quale le specie chimiche volatili presenti nel SP migrano verso la superficie del terreno ed inoltre si rimescolano con l aria della zona posta al di sopra della sorgente contaminante. In generale, il fattore di volatilizzazione in aria outdoor da SP si esprime come rapporto tra la concentrazione della specie chimica nel punto di esposizione (in aria), al di sopra del sito, e quella in corrispondenza della sorgente di contaminazione (nel suolo profondo): VF samb = C C poe sp m Kg 3 mg aria mg suolo

55 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SP (VF samb ) L applicazione del modello di Jury, descritto per la stima del fattore di volatilizzazione da suolo superficiale, al suolo profondo risulta essere troppo cautelativa. Quindi, per la stima del fattore di volatilizzazione da suolo profondo viene in genere utilizzato il modello di Farmer [Concawe n.2/97] [standard ASTM]. Modello di Farmer [Farmer et al. (1978,1980)], considera un flusso di vapori stazionario (ossia costante nel tempo) proveniente dal top del suolo contaminato posto ad una profondita L s dal piano campagna. Le ipotesi del modello sono le seguenti: 1. Il flusso di vapori avviene in condizioni stazionarie (non vi e riduzione nel tempo della contaminazione alla sorgente dovuta ai fenomeni di volatilizzazione - sorgente uniforme e continua). 2. Flusso completamente diffusivo. 3. La colonna di suolo (di spessore d infinito) è uniformemente contaminata e perfettamente omogenea per caratteristiche fisiche.

56 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SP (VF samb ) 4. La diffusione dei contaminanti avviane dal top della sorgente di contaminazione nel suolo attraverso uno strato di suolo non contaminato di spessore pari a L s. Questa ipotesi tiene conto del fatto che, nel suolo superficiale, i primissimi centimetri di suolo (a ridosso del piano campagna) risultano non interessati da contaminazione o meglio presentano una contaminazione trascurabile rispetto agli strati sottostanti, poiché la volatilizzazione a ridosso dell interfaccia suolo-aria avviene in tempi rapidissimi. Il modello di Farmer determina il flusso stazionario di vapori per unita di superficie, J s [mg/(cm 2 giorno)], attraverso l equazione della diffusione derivata dalla Legge di Fick: L s(sp) [cm] : profondità del top della sorgente rispetto al piano campagna. I termini C 0, C s e D A sono gia stati descritti in precedenza. Anche in questo caso, a valle della stima del flusso, viene applicato il modello di miscelazione in aria.

57 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SP (VF samb ) W U air M δ air aria, in = Caria, in Qaria = 0 M = C ( Q + Q aria, out aria, out aria suolo p.c. ) M suolo = J s A = J s ( W ' S ' w ) Si suppone che non vi sia contaminazione nell aria esterna a monte della zona di miscelazione (C aria,in = 0). Q 3 m ' aria = U air δ air Sw suolo Qaria day Q << Qsuolo + Qaria Qaria ' aria, out = M aria, in M suolo C U S = J A M + aria, out air δ air w s C aria, out = J U s air ' ' Sw W δ S air ' w = ρs Cs W U δ air air D L ' s A VF samb = C aria, out C s

58 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SP (VF samb ) VF VF samb (1) C ρ W ' ' aria, out s = = ' Cs U air δ air Ls w s s a (ASTM E-1739E e ASTM PS ) C ρ d W ' aria, out s s samb ( 2) = = Cs U air δ air τ (UNICHIM, Manuale n. 196/1) H ( θ + K ρ + θ H ) 10 3 D eff s = D a θ θ 3.33 a 2 e D eff s D + H w θ θ 3.33 w 2 e In genere, si effettua il calcolo di entrambe le equazioni e la selezione di quella che restituisce il valore minore. Ciò si traduce in pratica nell applicazione della VF samb (1) per i composti poco volatili e della VF samb (2) per quelli molto volatili. L utilizzo della equazione VF samb (1) per i composti volatili comporta valori di VF samb troppo alti e quindi troppo conservativi.

59 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SP (VF samb ) CLORURO DI VINILE VFsamb(1) [Kg/m3] VFss(1) [Kg/m3] VFwamb [Kg/m3] logvfsamb(1), logvfss(1) e logvfwamb 1,00E+05 1,00E+03 1,00E+01 1,00E-01 1,00E-03 1,00E-05 1,00E Ls [cm] Per i composti molto volatili il fattore di volatilizzazione da suolo profondo risulta maggiore di quello da suolo superficiale, già conservativo. In questi casi si pone VF samb = VF ss

60 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da SP (VF samb ) Andamento di VFsamb(1) e VFsamb(2) per le 11 specie chimiche. log VFsamb(1),(2) [Kg/m 3 ] 1,00E-01 1,00E-03 1,00E-05 1,00E-07 1,00E-09 1,00E ds (cm) Vfsamb(2) Benzo(a)pirene SPCDD, PCDF Crisene Pentaclorofenolo PCB 2-Clorofenolo Mercurio Tricloroetilene Benzene 1,1,2-Tricoloetano Cloruro di vinile d s : spessore della sorgente nel suolo profondo (insaturo)

61 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da GW (VF( VF wamb ) Il fenomeno di volatilizzazione di vapori da falda (GW) in ambienti aperti è un processo secondo il quale le specie chimiche volatili, presenti in soluzione nelle acque di falda, migrano, sotto forma di vapori, verso la superficie del terreno, dove si mescolano con l aria della zona sovrastante la sorgente contaminata. L equazione per la stima del fattore di volatilizzazione da falda in ambienti aperti, la cui selezione è discussa nell appendice D, è la seguente: VF wamb = C C poe gw mg 3 m aria mg L acqua Per tutti gli standard: VF wamb = U 1+ air H δ D air eff ws L W GW 10 3

62 Fattore di Volatilizzazione Outdoor da GW (VF( VF wamb ) Il coefficiente di diffusione viene espresso in funzione delle caratteristiche della frangia capillare e della zona insatura attraverso la seguente equazione: dove

63 VOLATILIZZAZIONE IN AMBIENTI CONFINATI SORGENTE DI CONTAMINAZIONE: a) suolo (SS e SP) b) falda (GW) MODALITA DI ESPOSIZIONE: Inalazione in ambienti confinati (INDOOR) hp. 1) Concentrazione inquinante uniformemente distribuita e costante per tutto il periodo di esposizione 2) Non si considerano i fenomeni di trasformazione chimica o biologica del contaminante

64 Fattore di Volatilizzazione Indoor da SUOLO (VF( VF sesp ) In generale, il fattore di volatilizzazione in aria indoor da suolo (SS e SP) si esprime come rapporto tra la concentrazione della specie chimica nel punto di esposizione (in aria indoor) e quella in corrispondenza della sorgente di contaminazione (suolo). I vapori di contaminante penetrano nell edificio attraverso le fessure presenti nelle fondazioni e nei muri (spazio per condutture elettriche,ecc ). VF sesp = C C poe s mg 3 m aria mg Kg suolo

65 Fattore di Volatilizzazione Indoor da SUOLO (VF( VF sesp ) Modello di Johnson-Ettinger [Johnson-Ettinger,1991]: Il modello di Johnson-Ettinger è un modello analitico monodimensionale, che descrive il meccanismo di trasporto di una specie chimica dal suolo o dalla falda in ambienti indoor secondo modalità diffusive e convettive. Nei punti distanti dal basamento prevale il fenomeno diffusivo (il( contaminante migra solo per diffusione). Vicino al basamento, se abbiamo depressurizzazione dell edificio, edificio, sono presenti entrambi i fenomeni: diffusivo e convettivo (la migrazione del contaminante avviene anche per convezione oltre che per diffusione). Il fenomeno convettivo è dovuto alla differenza di temperatura e quindi di pressione ( P)( tra indoor e outdoor.

66 Fattore di Volatilizzazione Indoor da SUOLO (VF( VF sesp ) L ambiente indoor si trova, generalmente, ad una temperatura maggiore rispetto a quella outdoor (soprattutto nel periodo invernale), l aria calda indoor tende a salire, lasciando posto all aria più fredda proveniente da basamento. Si creano quindi delle celle convettive. In tali condizioni, la pressione indoor risulta inferiore a quella outdoor. Il contributo convettivo è maggiore in inverno.

67 Fattore di Volatilizzazione Indoor da SUOLO (VF( VF sesp )

68 Fattore di Volatilizzazione Indoor da SUOLO (VF( VF sesp ) dove - D eff s è il coefficiente di diffusione effettiva attraverso la zona vadosa; - D eff crack è il coefficiente di diffusione effettiva attraverso le fratture delle fondazioni:

69 Fattore di Volatilizzazione Indoor da SUOLO (VF( VF sesp )

70 Fattore di Volatilizzazione Indoor da SUOLO (VF( VF sesp )

71 Fattore di Volatilizzazione Indoor da SUOLO (VF( VF sesp )

72 Fattore di Volatilizzazione Indoor da FALDA (VF( VF wesp ) La volatilizzazione indoor da falda si verifica quando sopra la zona di falda contaminata vi è un edificio nel quale avviene l infiltrazione dei contaminanti. Il fattore di volatilizzazione in aria indoor da falda si esprime come rapporto tra la concentrazione della specie chimica nel punto di esposizione (in aria indoor) e quella in corrispondenza della sorgente di contaminazione (falda). tutti i testi di riferimento adottano il modello proposto da Johnson e Ettinger nel 1991 [Johnson-Ettinger,1991] valida ipotizzando Qs = 0 (quindi P = 0), che tiene conto del contributo diffusivo e trascura quello convettivo: VF H D L L eff w ER T b 3 wesp(1) = 10 eff eff Dw Dw Lcrack 1+ + eff LT Lb ER DcrachLTη

73 Fattore di Volatilizzazione Indoor da FALDA (VF( VF wesp )

74 Fattore di Volatilizzazione Indoor da FALDA (VF( VF wesp )

75 Emissione di particolato Outdoor e Indoor da SS (PEF e PEF in ) Il fenomeno di emissione di particolato da suolo superficiale (SS) è un processo secondo il quale avviene il sollevamento di polveri dal suolo superficiale contaminato, a seguito di fenomeni di erosione, e il rimescolamento, e la conseguente diluizione di queste polveri con l aria della zona sovrastante la sorgente di contaminazione. L inalazione di tale particolato può avvenire sia in ambienti aperti che in ambienti confinati. PEF = C C poe ss m Kg 3 mg aria mg suolo

76 Emissione di particolato Outdoor e Indoor da SS (PEF e PEF in ) L equazione per la stima d fattore di emissione di particolato in ambienti aperti da suolo superficiale e la seguente: Nel caso di inalazione di particolato in ambienti indoor, il corrispondente fattore di trasporto PEF in si calcola secondo la seguente relazione: dove F i [adim] rappresenta la frazione di polveri indoor. In via cautelativa, e possibile porre tale parametro pari all unita.

77 Fattore di trasporto e dispersione in atmosfera (ADF) Il fattore di diluizione-attenuazione per il trasporto e la dispersone in atmosfera ADF (Air Dispersion Factor), adimensionale, definito come il rapporto tra la concentrazione nella zona di miscelazione in aria al di sopra della sorgente di volatilizzazione CMA e la concentrazione in atmosfera CA a valle della zona di miscelazione, rispetto alla direzione principale del vento: ADF = Applicando un modello gaussiano, il fattore di trasporto in fase aeriforme è determinato dalla seguente espressione: essendo: Q U δ = A L air air atm C ADF= Cx dove: y = distanza laterale dalla sorgente [L]; z = altezza della zona di respirazione (usualmente assunta pari a δair) [L]; Aatm= area della sezione trasversale della sorgente di emissione [L2]; σy = coefficiente di dispersione aerea trasversale [L]; σz = coefficiente di dispersione aerea verticale [L]; Q = portata volumetrica d aria attraverso la zona di miscelazione [L3 T]; L = lunghezza della sorgente di emissione parallela alla direzione principale del vento [L]. C MA ( ) C MA A 2π U Q σ air y σ z e 2 y 2σ 2 y e 2 ( z δ ) ( z+δ ) air 2 z 2σ + e 2σ 2 air 2 z

78 Fattore di trasporto e dispersione in atmosfera (ADF) Schema concettuale del modello gaussiano di trasporto e dispersione dei contaminanti in atmosfera

79 FINE