Implementazione di un modello dinamico 3D densità a dipendente all'interno di un sistema Web-GIS per la gestione e il monitoraggio della qualità delle acque di falda per un comparto di discariche Prof. Ing. Alberto Pistocchi, Ing Stefano Bagli, PhD Ing Davide Broccoli Ing Paolo Mazzoli Torino, 9-10 Ottobre 2013
GECOsistema srl GECOsistema srl è una società di ingegneria per l ambiente e il territorio specializzata in GIS e modellistica ambientale, studi ambientali, idrologia ed idraulica ed energie rinnovabili. Nata nel 2001 come Spin-Off Consorzio Spinner Emilia Romagna Dal 2001 esperienza avanzata e consolidata: sviluppo di SDSS per la gestione ed analisi delle problematiche ambientali attraverso l integrazione di strumenti di modellistica ambientale e sistemi GIS Servizi di Modellistica numerica per gli acquiferi (Feflow)
Obiettivo Sviluppo di un innovativo DSS in grado di gestire, analizzare e controllare lo stato della qualità delle acque di falda all interno di un comparto di trattamento dei rifiuti con presenza di discariche ed un termovalorizzatore di rifiuti. Il DSS è il risultato della integrazione dei seguenti componenti: Modelli matematici numerici Flusso e trasporto nell acquifero - Feflow Bilancio idrologico - HELP, sistema di sensori per il monitoraggio dei parametri idrochimici e meteorologici in tempo reale Tecnologia Web/Cloud GIS per il run dei modelli, la mappatura e l analisi delle condizioni di qualità della falda.
Finalità Monitoraggio qualità della falda in real time Raccolta, visualizzazione ed analisi (geostatistica) dei dati idrochimici della falda, Analisi degli eventuali superamenti in corrispondenza dei POC: modello 3D di flusso e trasporto della falda in condizioni a densitàdipendente determinate di una stratificazione salina; routine di back-analysis al fine di correlare eventuali superamenti registrati nei POC con le condizioni di flusso simulate ed osservate Kriging spaziale dei dati di qualità della falda al fine di rappresentare patterns spaziali di concentrazione degli inquinanti in falda Servizio on-line di reportistica periodica per gli enti di controllo (ARPA) Servizio di attivazione delle misure operative previste e concordate in caso di superamento o criticità riscontrate presso i POC dai monitoraggi analitici
Struttura del DSS: I moduli Cloud Modeling!
Il Modulo Hydro Sviluppo di un modello dinamico 3D (FEFLOW) in condizioni di densità dipendente in grado di simulare con passo giornaliero le condizioni di flusso/trasporto della falda acquifera in funzione del variare delle condizioni di ricarica e dei livelli dei canali presenti nel sito. Modello di bilancio idrologico delle discariche (HELP) e per la valutazione della ricarica superficiale (Pistocchi et al. 2008) Sistema di acquisizione dei dati dagli strumenti di monitoraggio piezometrico e dei livelli nei canali (dati idrologici DI) e dalla stazione meteorologica (o più di una) presenti nell intorno del comparto (dati meteorologici DM)
Il Modulo Hydro Utilizzo dei DI e DM per l aggiornamento del modello al giorno presente; i DI sono utilizzati sia per aggiornare le condizioni al contorno di carico (dinamico) imposto nei canali, sia per verificare la corrispondenza del modello con le osservazioni piezometriche, mentre i DM sono sfruttati per aggiornare la ricarica all acquifero. Post-processore dell output idrologico a passo giornaliero che consenta di produrre: mappatura delle isopieze e delle linee di flusso ed indicazione con apposita simbologia dei punti di monitoraggio che sono a monte o a valle del corpo discarica rispetto alla direzione del flusso calcolo dell area contribuente ( area di cattura, estesa fino ad un tempo di transito di 60 giorni) entro la quale può localizzarsi, su base idrodinamica, la sorgente di un eventuale anomalia di concentrazione di sostanze chimiche in un determinato punto di monitoraggio qualitativo della falda.
I Modello Idrodinamico 3D - FEFLOW 6.0 FM3 Fase 1 modello stazionario 2D in grado di rappresentare le condizioni medie stagionali del flusso e piezometria presenti nell area di studio Fase 2 modello dinamico 3D delle condizioni di flusso in condizioni density-dependent (salinità variabile). Il modello 3D dinamico, in grado di rappresentare le condizioni di flusso dell area di studio al variare delle condizioni al contorno (livelli sui canali) e della ricarica superficiale, costituirà il cuore del DSS e fornirà informazioni utili per l analisi di eventuali superamenti dei limiti di concentrazione e l individuazione delle potenziali sorgenti
Caratteristiche Idrodinamiche ed Idrogeologiche Sito costiero con presenza di lagune e corpi idrici superficiali tra cui canali regimati con presenza di idrovore Acquifero freatico a 2-12 m dal p.c. in formazione di sabbie medio fini fluviali e marine Livelli piezometrici del freatico influenzati dai corsi d acqua che esercitano un effetto di drenaggio naturale della falda La diversa conduttanza del fondo alveo potrebbe essere responsabile delle oscillazioni piezometriche in corrispondenza dei canali. Presenza di 2 zone di alimentazione della falda Sito discariche localizzato in corrispondenza di una depressione piezometrica Salinizzazione dell acquifero con presenza di lenti di acqua dolce superficiali regolate dalla ricarica meteorica
Caratteristiche Idrodinamiche ed Idrogeologiche
Rete Piezometrica Piezometri disponibili
Salinità dell Acquifero
Ricarica dell Acquifero il tasso di ricarica media annuale della falda, stimato attraverso il bilancio idrologico (Pistocchi e al. 2008), si attesta infatti su valori dell ordine di 14.4 mm/anno
Il Dominio di calcolo: Modello 2D e 3D 2D Mesh di calcolo: 1168164 elementi (586260 nodi) Modello monostrato omogeneo ed isotropo di spessore pari a 12 m K= 1.59*10-4 m/s Porosità = 0.2 Boundary condition: carichi imposti lungo i limiti esterni ed i principali corsi d acqua presenti, valori derivanti da interpolazione misure piezometriche Simulazione Steady State 3D Mesh di calcolo: 345700 elementi (195096 nodi) Modello 10 layers omogeneo ed isotropo di spessore pari a 12 m K= 1.59*10-4 m/s Porosità = 0.2 Boundary condition: carichi e salinità imposti lungo i limiti esterni ed i principali corsi d acqua presenti, valori derivanti da interpolazione misure piezometriche Simulazione Dinamica
Il Dominio di calcolo: Modello 2D e 3D
Condizioni al Contorno Condizione di carico imposto (condizione del 1 tipo o di Dirichlet) per il limite a mare. Il carico è stato assegnato con valori riconducibili al profilo di pressione dell acqua salata, simulato in FEFLOW mediante adozione di carichi piezometrici equivalenti in acqua dolce (Diersch, 2005). Condizione di carico imposto (condizione del 1 tipo o di Dirichlet) per i limiti esterni del modello fissati dai canali. Condizione di carico imposto (condizione del 1 tipo o di Dirichlet) per quanto riguarda i principali corsi d acqua presenti. L applicazione di un carico idraulico costante in corrispondenza di questi scoli risponde fisicamente alla presenza della connessione idraulica precedentemente evidenziata tra i livelli nei canali e la piezometria in falda.
Condizioni al Contorno
Il Modello 2D stazionario: finalità Interpolazione delle superfici piezometriche Identificazioni dei POC e dei punti rappresentativi delle condizioni di fondo ( bianchi ) della falda Analisi dell idoneità del sistema di monitoraggio ed eventuale localizzazione ottimale nuovi punti di monitoraggio falda Stima dei fattori di diluizione per sviluppo Analisi di Rischio Sanitario ed Ambientale Tier III
Il Modello 2D stazionario: finalità
Il Modello 2D stazionario Interpolazione delle superfici piezometriche Scenari medio annuale, estivo, primaverile, invernale ed autunnale parametri statistici di scostamento massimo 0.66 minimo -0.62 media 0.03 mediana 0.00 scarto medio assoluto 0.15 scarto quadratico medio 0.22
Il Modello 2D stazionario - Plume
Il Modello 3D - Salinità Concentrazione iniziale relativa all intero acquifero e come concentrazione imposta costante lungo i punti di confine con l acqua marina. Concentrazione costante nei nodi a carico imposto fissata pari a 37000 mg/l (acqua marina)
Il Modello 3D - Calibrazione e risultati Acquifero completamente salinizzato Il modello è in grado di riprodurre il meccanismo di formazioni delle lenti di acqua dolce determinate dalla ricarica meteorica
Conclusioni Il DSS sarà attivo a partire dalla metà del 2014 e consentirà sia di monitorare in tempo reale le condizioni di flusso e qualità della falda acquifera sia di analizzare le potenziali cause di condizioni critiche che si possono registrare ai POC. Il modello di flusso 3D dinamico verrà aggiornato in tempo reale con passo giornaliero al fine di considerare la variazione delle condizioni al contorno (livello canali) e le condizioni di ricarica superficiale.
Stefano Bagli Grazie Contatti stefano.bagli@gecosistema.it www.gecosistema.eu Torino, 9-10 Ottobre 2013