TIPI DI MODELLI CHE SI APPLICANO ALLO STUDIO DELLA QUALITÀ DELL'ACQUA - AMBIENTE - 2024

I modelli per la qualità dell'acqua sono formulazioni matematiche che simulano il comportamento e gli effetti degli inquinanti nell'acqua. In questo senso vengono presentati possibili scenari di impatto degli inquinanti, utilizzando varie formule che partono da determinati parametri e variabili.

Esistono diversi modelli di qualità dell'acqua a seconda della fonte di contaminazione e del corpo idrico da valutare. Questi modelli sono costituiti da programmi per computer basati su algoritmi matematici.

Valutazione della qualità dell'acqua. Fonte: CSIRO

I modelli integrano i dati del campo da varie variabili e fattori, oltre a determinate condizioni di input. Da questi dati, i modelli generano i possibili scenari, estrapolando i dati nel tempo e nello spazio in base alle probabilità.

Il parametro più informativo per valutare la contaminazione di un corpo idrico è la domanda biochimica di ossigeno (BOD). La maggior parte dei modelli include la stima della variazione del BOD come criterio per generare i propri scenari.

I governi hanno stabilito norme sulla qualità dell'acqua che devono essere rispettate per ottenere i permessi per svolgere attività potenzialmente inquinanti. In questo senso, i modelli sono uno strumento utile per comprendere il possibile impatto sulla qualità dell'acqua di una determinata attività.

Fondamenti matematici

I modelli utilizzati per prevedere il comportamento della qualità dell'acqua si basano su equazioni differenziali. Queste equazioni mettono in relazione l'entità del cambiamento in una funzione con l'entità del cambiamento in un'altra.

Le equazioni differenziali non lineari vengono utilizzate nei modelli di qualità dell'acqua, perché i processi di inquinamento dell'acqua sono complessi (non rispondono a una relazione lineare causa-effetto).

Parametri

Quando si applica un determinato modello è necessario tenere conto di una serie di parametri.

In generale, vengono stimati i parametri di base come la domanda biologica di ossigeno (BOD), la domanda chimica di ossigeno (COD), l'azoto e il fosforo presenti.

Il BOD è uno degli indicatori di contaminazione più importanti, poiché valori elevati indicano un gran numero di microrganismi. Da parte sua, COD indica la quantità di ossigeno necessaria per ossidare la materia organica con mezzi chimici.

I parametri da valutare dipendono dal tipo di specchio d'acqua, lentico (laghi, stagni, paludi) o lotico (fiumi, torrenti). Devono essere presi in considerazione anche il flusso, l'area coperta, il volume dell'acqua, la temperatura e il clima.

È inoltre necessario considerare la fonte di contaminazione da valutare, poiché ogni contaminante ha un comportamento ed effetto diverso.

Nel caso di scarichi nel corpo idrico si considera il tipo di scarico, gli inquinanti in esso contenuti e il suo volume.

Classificazione

Esistono numerosi modelli matematici per simulare il comportamento degli inquinanti nei corpi idrici. Possono essere classificati in base al tipo di processo che considerano (fisico, chimico, biologico) o al tipo di metodo di soluzione (empirico, approssimativo, semplificato).

I fattori che vengono presi in considerazione per classificare questi modelli sono la dinamica e la dimensionalità.

Dinamico

I modelli stazionari ritengono che sia sufficiente stabilire la distribuzione di probabilità dello stato dell'inquinante in un dato istante o spazio. Successivamente, estrapola quella distribuzione di probabilità considerandola la stessa in tutto il tempo e lo spazio di quello specchio d'acqua.

Nei modelli dinamici, si presume che la probabilità di comportamento inquinante possa cambiare nel tempo e nello spazio. I modelli quasi dinamici eseguono l'analisi in parti e generano un'approssimazione parziale alla dinamica del sistema.

Esistono programmi che possono funzionare sia in un modello dinamico che in uno quasi dinamico.

Dimensionalità

A seconda delle dimensioni spaziali che il modello considera, ci sono adimensionale, unidimensionale (1D), bidimensionale (2D) e tridimensionale (3D).

Un modello adimensionale considera il mezzo omogeneo in tutte le direzioni. Un modello 1D può descrivere la variazione spaziale lungo un fiume, ma non nella sua sezione verticale o trasversale. Un modello 2D considererà due di queste dimensioni, mentre un modello 3D le includerà tutte.

Esempi

Il tipo di modello da utilizzare dipende dallo specchio d'acqua da studiare e dall'obiettivo dello studio, e deve essere calibrato per ogni particolare condizione. Inoltre, è necessario prendere in considerazione la disponibilità di informazioni e i processi da modellare.

Di seguito vengono descritti alcuni esempi di modelli per lo studio della qualità dell'acqua in fiumi, torrenti e laghi:

QUAL2K e QUAL2Kw (modello di qualità dell'acqua)

Simula tutte le variabili di qualità dell'acqua sotto un flusso costante simulato. Simula due livelli di BOD per sviluppare scenari della capacità del fiume o del torrente di degradare gli inquinanti organici.

Questo modello consente inoltre di simulare la quantità risultante di carbonio, fosforo, azoto, solidi inorganici, fitoplancton e detriti. Allo stesso modo, simula la quantità di ossigeno disciolto, che prevede possibili problemi di eutrofizzazione.

Anche altre variabili come il pH o la capacità di eliminare gli agenti patogeni vengono proiettate indirettamente.

Modello STREETER-PHELPS

È un modello molto utile per valutare il comportamento della concentrazione di uno specifico inquinante nell'area di influenza di uno scarico in un fiume.

Uno degli inquinanti che produce l'effetto più significativo è la materia organica, quindi la variabile più informativa in questo modello è la richiesta di ossigeno disciolto. Pertanto, include una formulazione matematica dei principali processi associati all'ossigeno disciolto in un fiume.

Modello MIKE11

Simula vari processi come la degradazione della materia organica, la fotosintesi e la respirazione delle piante acquatiche, la nitrificazione e lo scambio di ossigeno. Si caratterizza per la simulazione dei processi di trasformazione e dispersione degli inquinanti.

Modello RIOS

Questo modello è stato progettato nel contesto della gestione dei bacini idrografici e combina dati biofisici, sociali ed economici.

Genera informazioni utili per pianificare misure di bonifica e include parametri come ossigeno disciolto, BOD, coliformi e analisi di sostanze tossiche.

Modello QUASAR (Simulazione della qualità lungo i sistemi fluviali)

Il fiume è modellato suddiviso in sezioni, definite dagli affluenti, dagli sfioratori e dalle prese pubbliche che arrivano o partono da esso.

Tra gli altri parametri, considera il flusso, la temperatura, il pH, il BOD e la concentrazione di ammoniaca, nitrati, Escherichia coli e ossigeno disciolto.

WASP (Water Quality Analysis Simulation Program)

Puoi avvicinarti allo studio dello specchio d'acqua in diverse dimensioni (1D, 2D o 3D). Quando lo si utilizza, l'utente può scegliere di inserire processi di trasporto cinetico costanti o variabili nel tempo.

Gli scarichi puntuali e non puntuali possono essere inclusi e le loro applicazioni includono varie strutture di modellazione fisica, chimica e biologica. Qui possono essere inclusi diversi aspetti come l'eutrofizzazione e le sostanze tossiche.

Modello AQUASIM

Questo modello viene utilizzato per studiare la qualità dell'acqua sia nei fiumi che nei laghi. Funziona come un diagramma di flusso, consentendo di simulare un gran numero di parametri.

Riferimenti

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