Modellazione del Trasporto di contaminanti nelle Acque ... DI 2006-2007... · inquinante con Visual...

1

Modellazione del Trasporto di contaminanti nelle Acque

Sotterranee: Aspetti teorici ed applicativi dei software

MODFLOW, MODPATH e MT3D

Università degli Studi di Catania – sede di Enna Dipartimento di Ingegneria Civile e AmbientaleCorso di Dinamica degli Inquinanti e bonifica dei siti contaminati, A.A. 2005-2006

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.

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.

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©

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.

I CODICI DI CALCOLO utilizzati da Visual MODFLOW© sono:

MODPATH, utilizza uno schema di calcolo analitico tridimensionale per la determinazione delle traiettorie di flusso delle particelle.

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:


Legge di Filtrazione (Darcy):

v=k·i [LT-1]i= gradiente idraulico

k= conducibilità idraulica

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.

0)()()(=

∂∂

+∂

∂+

∂∂

zv

yv

xv zyx ρρρ

r= densità del fluido [M · L-3]

v= portata specifica [L3 ·T-1·L-2]

[M·T-1·L-2]

Le leggi fondamentali che governano la dinamica di una falda acquifera sono:

z

y

x

5


0=∂∂

+∂

∂+

∂∂

zv

yv

xv zyx

dLdhkv ⋅=

Operazioni e Dati richiesti:

• Discretizzazione nelle 3 direzioni principali x, y e z;

• Conducibilità idraulica (kx, ky, kz);

• Immagazzinamento specifico (Ss);

• Condizioni iniziali;

• Condizioni al contorno.

Immissioni o EstrazioniModifiche nell’immagazzinamento

EQUAZIONE GENERALE DI MOTO

thSW

zhk

zyhk

yxhk

x szyx ∂∂

=+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂


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 (Sy, Ss).

Specific yield (Sy): Volume d’acqua che un acquifero rilascia per unità di area, per

abbassamento unitario del tetto di falda;

Specific storage (Ss): Volume d’acqua restituito dal volume unitario di un acquifero

confinato per abbassamento unitario della piezometrica (1/m).

INPUT AD UN MODELLO DI FLUSSO

6

Modellazione del trasporto dei contaminanti: elementi di base per Visual MODFLOW©

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.

Avvezione

( ) )()( kdtCRrCW

xCD

xCv

x jij

ii

i ∂∂

=++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

∂∂

−∂∂

EQUAZIONE GENERALE DI MOTO (Trasporto e Diffusione)

Dispersione Sorg./

Estraz.

Reazioni Ritardo

Trasporto per Avvezione

Trasporto per Dispersione Idrodinamica

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.

Coeff. di

DispersioneConcentrazione


La dispersione idrodinamica, espressa analiticamente mediante il coeff. di dispersione

(D=DM+D0) [L2/T-1]

tiene essenzialmente conto di due processi:

• Dispersione meccanica (coeff. di dispersione meccanica DM): 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.

• DM=αivi [L2/T-1]• α= dispersività (long. αL, trasv. orizzontale αT,

trasv vert αV) [L]

• Rapporto (αT/ αL)≈0,1

• Rapporto (αV/ αL)≈0,01

• Generalmente αL=0,03-0,05 Lplume (m)

• Diffusione molecolare (coeff. di diffusione molecolare D0): processo fisico per cui il contaminante si muove a causa dei gradienti di concentrazione [L2/T-1].

7


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-3T-1];

E’ funzione del contaminante e del terreno;

E’ legato analiticamente a kd (coefficiente di desorbimento) [L].

INPUT AD UN MODELLO DI TRASPORTO

Rapporti di dispersione;

Valori di diffusione;

Parametri cinetici e di adsorbimento;

Condizioni al contorno (Sorgente di contaminazione):

• Concentrazioni di inquinanti iniziali;

• Estensione della Sorgente.

Adsorbimento

CeCe

qe

Ce

qe

Ce

qeqe

Freundlich (1/n<1) Freundlich (1/n>1)

Freundlich (1/n=1) Lagmuir

nee KCq1

=

e

ee bC

bCqq+

=1

max

8


INPUT AD UN MODELLO DI TRASPORTO: ASSEGNAZIONE DELLA CONCENTRAZIONE DI INQUINANTE

Concentrazione costante (mg/L a T1, T2, Tn);

concentrazione immessa puntualmente (mg/L a T1);

concentrazione per ricarica (Q1, C1);

C1, Q1

C2, Q2Cs= (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:

∆x ∆x ∆x

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Δ−

+Δ−

Δ=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

xhhk

xhhk

xxhk

x xxx)(1 1223

La tecnica può essere applicata solo a “grigliati” con maglie rettangolari non deformate.

9

Step fondamentali per la simulazione della dinamica di un inquinante con Visual MODFLOW

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.

DETERMINAZIONE DELL’AMBIENTE DI SIMULAZIONE


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.

1. RICOSTRUZIONE DELL’AMBIENTE FISICO TRIDIMENSIONALE

10


Permeabilità del terreno (Kx, Ky, Kz), [m/s];

Immagazzinamento specifico del terreno (Ss), [1/m];

porosità efficace del terreno (Pe);

porosità totale del terreno (Pt);

ricarica (R) dell’acquifero (i) [mm/anno];

evapotraspirazione (E) [mm/anno].

L’ambiente fisico discretizzato dovrà essere particolareggiato attraverso diversi parametri quali:

2. ASSEGNAZIONE DEI PARAMETRI IDROGEOLOGICI


coefficiente kd di desorbimento;

rapporto (αT/ αL);

rapporto (αV/ αL);

concentrazione di sversamentodell’inquinante Ci riferito all’i-esimo intervallo temporale.

caratterizzazione della superficie di sversamento

La caratterizzazione degli inquinanti si effettuata assegnando specifici valori ai seguenti parametri:

3. CARATTERIZZAZIONE DEGLI INQUINANTI

11


4. DETERMINAZIONE DEGLI INTERVALLI TEMPORALI DI CALCOLO


5. CALIBRAZIONE DEL MODELLO

800

900

1000

1100

1200

1300

800 900 1000 1100 1200 1300xosservate [m]

x sim

ulat

e [m

]

Calcolo di R CalibrazioneAutomatico

ManualeCalcolo di R

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2000 2100 2200 2300 2400 2500yosservate [m]

y sim

ulat

e [m

]

12

Caso di studio: Applicazione di V. MODFLOW ad un sito contaminato da idrocarburi – Simulazione della dinamica di inquinamento

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 25.000 m2, insiste un deposito di prodotti petroliferi, principalmente biodieseled olii combustibili, con una movimentazione di circa 20.000 t/anno. L’attività del deposito consiste nel trasferimento e nello stoccaggio di prodotti petroliferi ricevuti attraverso oleodotto e/o autobotte.

DESCRIZIONE DEL SITO

STORIA DEL SITOUnico evento rilevante è stato un caso di sversamento di prodotti petroliferi nel 1984.

OBIETTIVI DELLA SIMULAZIONEStrumento di supporto per la formulazione del MODELLO CONCETTUALE ai sensi del D.M. 471/99.


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.

INQUADRAMENTO IDROGEOLOGICO

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 m

0 20 40 60 80 100 120 140 m

Terreno di riportoe suolo vegetaleAlternanza di depositi ghiaiosie livelli argilloso-limosi

Alternanza di depositi ghiaiosie livelli argilloso-limosi saturiSubstrato marnosoargilloso compatto

13


STATO DELLA CONTAMINAZIONE RILEVATA

Sondaggi terreno con C(Hc)>CMA D.M. 471/99 Sondaggi acque con C(Hc)>CMA D.M. 471/99


STEP 1/4: Ricostruzione dell’ambiente fisico

Layer 1

Layer 2

Morfologia

diverse caratteristiche idrogeologiche

P2i(x,y,z)

P1i(x,y,z)

S(830x630m)

GENERAZIONE DEL MODELLO PER LA SIMULAZIONE

Superficie piezometrica

c.c.

14


0,1

αT/ αL

0,01

αV/ αL

Hc C>12 2 10 1·10-7

DMD0Kd

0,25

PT

Layer 2

Layer 1

-

300

mm/anno

R

-

0,30

Pt

00,151·10-52·10-52·10-4 2·10-4

---2·10-112·10-102·10-10

mm/anno(m/s)(m/s)(m/s)

EPeSykzkyKx

STEP 2/4: Assegnazione dei parametri idrogeologici

STEP 3/4: Caratterizzazione del contaminante



Superficie di sversamento

Hc C>12(mm/anno)

∆t (giorni)

35

250-300

30

200-250

300-730

150-200

100-150

50-100

10-50

0-10

402826242220

STEP 4/4: Definizione della modalità di sversamento


Concentrazione costante

15


RISULTATI OTTENUTI: Evoluzione temporale del plume

t=10 gg t=50 gg t=100 gg t=150 gg

t=7300 ggt=730 ggt=350 ggt=250 gg


RISULTATI OTTENUTI: Sezione del Plume di contaminazione

16


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).

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).

(A)

(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.

17


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 m3/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.


Modellazione del Trasporto di contaminanti nelle Acque ... DI 2006-2007... · inquinante con Visual...

Documents

Transcript of Modellazione del Trasporto di contaminanti nelle Acque ... DI 2006-2007... · inquinante con Visual...