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Metodologie modellistiche di dispersione e riaccumulo di microinquinanti nelle acque e di trasformazione chimica in atmosfera

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Metodologie modellistiche di dispersione e riaccumulo di microinquinanti nelle acque e di trasformazione chimica in atmosfera

Il rapporto descrive le attività di Ricerca di Sistema svolte nel periodo gennaio 2007-febbraio 2008 nel Progetto “Sviluppo ed applicazione dei metodi per la quantificazione dell’impatto dei microinquinanti ed opportunità di mitigazione” dell’area “Produzione e Fonti Energetiche”, una delle quattro Aree di ricerca definite nell’Accordo di programma triennale tra il Ministero per lo Sviluppo Economico e CESI RICERCA S.p.A. stipulato il 21 giugno 2007. Il rapporto è strutturato in tre parti: null sviluppo di modellistica numerica in grado di prevedere tali situazioni di criticità sulla base della simulazione dei fenomeni idrodinamici locali e del loro effetto sulla concentrazione di microinquinanti; null sviluppo e validazione di algoritmi di trasformazione chimica di inquinanti a scala locale implementati nel codice SPRAY; null sviluppo del modello CAMx per la valutazione delle deposizioni degli inquinanti sul territorio nazionale. Modellistica inquinanti nei corpi idrici La dispersione nei corpi idrici di microinquinanti derivanti da emissioni legate al funzionamento delle centrali termoelettriche è strettamente dipendente dalle caratteristiche idrodinamiche dei corpi idrici recettori, soprattutto in presenza di situazioni ambientali sensibili. In particolare, si possono presentare casi in cui, a fronte di emissioni entro i limiti normativi, una situazione idrodinamica locale complessa può portare ad un accumulo di microinquinanti in determinati luoghi e, nel medio e lungo periodo, determinare situazioni di criticità ambientale. Le attività, che hanno l’obiettivo della messa a punto di una metodologia, basata sulla modellistica numerica, in grado di prevedere tali situazioni di criticità sulla base di una accurata simulazione dei fenomeni idrodinamici locali e del loro effetto sulla concentrazione di microinquinanti, sono state articolate nelle seguenti tematiche: null integrazione funzionale di modelli matematici, operanti a differenti scale spazio-temporali, per corpi idrici; null sviluppo di un prototipo di sistema per l’analisi del fenomeno di accumulo di microinquinanti in acqua; null applicazione del sistema ad un caso dimostrativo. Per quanto riguarda l’integrazione funzionale di modelli matematici è stata definita una metodologia per la determinazione dei parametri di turbolenza da utilizzare nel calcolo fluidodinamico, allo scopo di fornire un corretto contributo del moto vorticoso locale al modello di qualità delle acque. L’uso integrato di codici idrostatici ad alta risoluzione e di modelli di qualità dell’acqua a bassa risoluzione fornisce infatti risultati inadeguati se viene utilizzato un unico valore di viscosità in domini in cui esistono zone con proprietà di turbolenza molto differenti. E’ stato perciò realizzato un algoritmo di viscosità equivalente a zone, per il quale occorreva definire un criterio di attribuzione dei valori di viscosità equivalente. A questo scopo è stata effettuata una analisi di sensitività riguardante i parametri di viscosità e attrito, al variare delle condizioni morfologiche ed idrodinamiche del sito, arrivando a definire una formulazione semplificata che correla il parametro di viscosità equivalente a classi di zone, omogenee per condizioni di corrente, batimetria e tipologia di fondale. Tale analisi è stata svolta,

confrontando i risultati dei calcoli di sensitività effettuati con il codice idrostatico SweetOMP (in cui è stato inserito l’algoritmo per zone), con i risultati di un calcolo di riferimento completamente tridimensionale e pienamente turbolento, ottenuti con il codice CFX. Per quanto riguarda lo sviluppo di un prototipo di sistema per l’analisi del fenomeno di accumulo di microinquinanti è stata realizzata la struttura definitiva del sistema integrato WISP (WASP Interfacing for Simulation of Pollution) che include i seguenti blocchi funzionali, inseriti nei diversi moduli: null modulo di interfaccia utente (WISP GUI): realizza l’interfaccia utente che gestisce l’inserimento dei dati, il controllo delle simulazioni e l’analisi dei risultati; null funzione di definizione dei carichi spaziali e temporali: inserita nel modulo di interfaccia utente, definisce i carichi di microinquinanti che interessano nel tempo il dominio di simulazione, a partire dalle diverse tipologia di sorgenti; null funzione di scelta del modello idrodinamico e di definizione del dominio di calcolo: inserita anch’essa nell’interfaccia utente per quanto riguarda la definizione degli estremi del dominio, ed include un collegamento esterno al codice fluidodinamico esterno scelto per l’analisi; null modulo di simulazione numerica degli scenari idrodinamici: viene richiamato anch’esso dall’interfaccia utente ed al momento ha la funzione di raccogliere i risultati delle simulazioni ottenute dal codice fluidodinamico per alimentare il modulo di interfaccia con il modello di qualità delle acque; null funzione di definizione degli scenari per il modello di qualità delle acque: è inserita nell’interfacci utente ed ha lo scopo di costruire le sequenze temporali di medio/lungo periodo da analizzare con il modello WASP; null funzione di definizione del modello a segmenti-giunzioni: è inserita nell’interfaccia utente ed ha lo scopo di schematizzare il dominio di analisi secondo l’approccio tipico del modello di qualità delle acque; null modulo di generazione del file idrodinamico (kernel WISP): trasforma le informazioni fluidodinamiche provenienti dalle analisi dei codici 2D/3D, tenendo conto delle sequenze temporali predisposte e del modello a segmenti-giunzioni definito per l’analisi, in un file di informazioni fluidodinamiche nel formato richiesto dal modello di qualità delle acque; null modello di qualità delle acque: è costituito dal codice WASP versione 7.2, richiamabile automaticamente dall’interfaccia utente; null modulo di visualizzazione grafica 3D: fornisce le funzioni necessarie per l’analisi grafica completa dei risultati delle simulazioni. La componente fondamentale di tale sistema integrato è rappresentata da un interfaccia utente di tipo interattivo, che diventa lo strumento fondamentale per l’analisi essendo in grado di: null supportare l’utente nella creazione e nella gestione dei dati di ingresso relativi ad un determinato problema (“caso”), nell’ambito di uno studio più generale, per esempio relativo ad un preciso sito (“progetto”). In questo caso, viene demandato all’interfaccia il presentare tutti e solo i campi necessari in funzione delle opzioni di calcolo di volta in volta selezionate, di effettuare tutti i possibili controlli di coerenza tra i diversi dati immessi, di preparare secondo la formattazione richiesta i dati di ingresso necessari ai modelli di simulazione in maniera automatica; null supportare l’utente nelle fasi di lancio, controllo ed eventuale arresto di una esecuzione, consentendo l’analisi dei parametri di calcolo e dei risultati parziali senza interferire con l’esecuzione stessa. In caso di arresto forzato, poi, deve essere sempre possibile il recupero dei risultati ottenuti; null fornire all’utente gli opportuni strumenti grafici di analisi e visualizzazione dei risultati, con le principali funzionalità tipiche della moderna visualizzazione tridimensionale, consentendo inoltre il salvataggio, negli opportuni formati, delle elaborazioni grafiche effettuate. Tutte le fasi della metodologia (caratterizzazione dei carichi inquinanti, caratterizzazione del campo idrodinamico, definizione degli scenari di analisi ed effettuazione dell’analisi) sono state impostate tenendo presenti criteri di generalità, portabilità, disponibilità dei modelli a prescindere da licenze commerciali, in modo da consentire ad un utente finale di applicare la metodologia stessa secondo gli strumenti a sua disposizione e le esigenze specifiche derivanti dalle caratteristiche del problema da

affrontare. Occorre comunque tenere presente che, per tutti i passi procedurali sopra citati, è indispensabile una preventiva caratterizzazione del sito dal punto di vista morfologico, ambientale ed antropico, allo scopo di definire esattamente quali aspetti intervengono nella problematica dell’evoluzione dell’inquinamento acquatico ed il loro peso nel contesto considerato. Per quanto riguarda l’applicazione del sistema ad un caso dimostrativo, il prototipo sviluppato è stato applicato ad un caso teorico rappresentato dalla presenza di una centrale termoelettrica e di un altro scarico industriale, considerando quali valori tipici una portata di scarico della centrale di 90 m 3 s -1 , con un sopralzo termico di 8 °C ed una portata dello scarico industriale di 5 m 3 s -1 , con un sopralzo di 1 °C. In queste ipotetiche condizioni operative, sono state fatte valutazioni di carico individuando nel mercurio e nel selenio i due microinquinanti di riferimento per i rispettivi moduli funzionali di qualità delle acque (mercurio e metalli pesanti). Modellistica atmosferica I modelli lagrangiani a particelle rappresentano un approccio accurato per la ricostruzione dei fenomeni dispersivi su domini di calcolo ristretti dell’ordine dei 20-50 km, essendo in grado di tener conto di fenomeni/caratteristiche tipici del nostro Paese (ad esempio: calme di vento, orografia complessa, interfaccia terra-mare, ecc.). L’introduzione di opportuni algoritmi consente ad un modello lagrangiano di riprodurre le reazioni chimiche. I modelli risultanti sono basati sostanzialmente sull’accoppiamento della dispersione (che avviene in modo lagrangiano) con un modulo euleriano semplificato che simula le reazioni chimiche. Le concentrazioni calcolate dal modulo euleriano sono poi utilizzate per modificare opportunamente le masse trasportate dalle singole particelle. In pratica è possibile ricostruire i campi di concentrazione media sia dei reagenti che dei prodotti di reazione, che nel caso di emissioni di NO sono: NO, NO 2 e O 3 . Un ulteriore strumento, questa volta per studi a scala “regionale” (50-500 km) è costituita dai modelli euleriani di chimica e trasporto (CTM) che permettono di ricostruire il destino degli inquinanti atmosferici, dalla loro emissione fino alla loro definitiva rimozione. In particolare attraverso i CTM è possibile ricostruire non solo i fenomeni di dispersione degli inquinanti, ma anche i processi di trasformazione chimica, sia in fase gas che aerosol, che danno origine ai cosiddetti “inquinanti secondari” quali l’ozono e diversi composti del particolato (ioni inorganici, organici e mercurio), e di quantificare i flussi di deposizione secca e umida dei più importanti composti presenti in aria sia in fase gas che aerosol. Inoltre, grazie all’utilizzo di opportuni algoritmi, i CTM permettono di effettuare analisi di ripartizione del ruolo delle sorgenti, consentendo quindi di individuare in modo quantitativo il contributo di differenti aree e/o categorie emissive ai livelli di inquinamento complessivo. Le attività di modellistica atmosferica sono state articolate nelle seguenti tematiche: null sviluppo e validazione di algoritmi di trasformazione chimica di inquinanti a scala locale implementati nel codice SPRAY; null sviluppo del modello CAMx per la valutazione delle deposizioni degli inquinanti sul territorio nazionale. Per quanto riguarda lo sviluppo e validazione di algoritmi di trasformazione chimica di inquinanti a scala locale implementati nel codice SPRAY l’attività ha visto l’affinamento degli algoritmi (introduzione della fotolisi) ed il loro test in un caso reale. I test preliminari nei casi in atmosfera reale hanno riguardato le emissioni di una centrale termoelettrica e le misure effettuate da alcune capannine chimiche poste nel territorio circostante. I dati sono stati forniti dalla Società che gestisce l’impianto. Un’analisi delle misure di vento e concentrazione di una stazione della rete di controllo dell’impianto ha portato all’individuazione di una giornata che include una situazione interessante con la presenza della fotolisi. Sono quindi state condotte le simulazioni dapprima senza attivare gli algoritmi per la chimica in modo da evidenziare, tramite un raffronto fra i valori calcolati e misurati di NO x , le prestazioni del modello nel ricostruire solo la diffusione. Il risultato ha messo in risalto la capacità del codice di riprodurre fedelmente l’andamento delle misure di NO x . Le stesse simulazioni sono state ripetute attivando gli algoritmi per le reazioni chimiche ed alle stesse ore si ha una ricostruzione soddisfacente

dei valori misurati di NO ed NO 2 . Confrontando le simulazioni “J=0” (assenza di fotolisi) e “J variabile”, si è notata l’influenza della fotolisi introdotta grazie a valori di J in funzione dell’altezza del sole sull’orizzonte. In questo caso, come ci si aspettava, la foto dissociazione dell’NO 2 fa diminuire le concentrazioni di questo inquinante ed aumentare quelle di NO rispetto al caso “J=0” Il confronto fra i valori massimi di NO 2 , calcolati all’interno del dominio tramite la metodologia introdotta ed una semplificata applicata anche da altri modelli di diffusione, ha evidenziato le maggiori differenze nelle situazioni con fotolisi bassa o con le ricadute vicine al punto di emissione. Ciò indica l’importanza di applicare gli algoritmi inseriti che si sono dimostrati efficaci, durante i test svolti, nella stima delle concentrazioni di NO 2 in diverse situazioni anche in presenza di radiazione solare. Il proseguimento dell’attività deve includere ulteriori analisi, con l’indagine di altri episodi in atmosfera reale, volte a confermare i risultati soddisfacenti di queste prime applicazioni. Alcuni aspetti in particolare andrebbero approfonditi e sviluppati: la sensibilità degli algoritmi al variare sia delle dimensioni delle celle di calcolo delle concentrazioni sia al “time step”, le ragioni della sottostima delle concentrazioni di O 3 calcolate rispetto alle misure, l’introduzione del coefficiente di segregazione nei casi in atmosfera reale, la modifica della routine chimica che consenta l’esecuzione di simulazioni “in parallelo” per diminuire i tempi di calcolo. Per quanto riguarda lo sviluppo del modello CAMx per la valutazione delle deposizioni degli inquinanti sul territorio nazionale l’attività è stata articolata in due fasi. La prima parte dello studio ha rappresentato un’analisi di sensitività del sistema modellistico rispetto ad alcune importanti parametrizzazioni. Sulla base delle indicazioni dell’analisi di sensitività è stata poi effettuata la simulazione annuale, che ha permesso di fornire un quadro più completo delle performance del modello evidenziando. …? La simulazione su base annuale ha fornito un risultato complessivamente accettabile, se considerata come una prima effettiva applicazione del sistema modellistico per questa finalità e se confrontato con i risultati di simulazioni precedenti, ma ha evidenziato anche alcuni importanti limiti. In particolare: null il carico di deposizione annuale per tutti e tre i composti è sistematicamente sottostimato sia rispetto alle misure che al modello EMEP; in particolare si osserva un’eccessiva dipendenza dall’orografia ed un gradiente decrescente nord sud troppo marcato; le sottostime inoltre sembrano più frequenti d’estate ed in corrispondenza di episodi intensi; null se da un lato il carico di deposizione appare sottostimato, dall’altra il modello tende frequentemente a sovrastimare la corrispettiva concentrazione in fase liquida. I risultati ottenuti sembrano indicare come prioritario l’intervento sulla definizione dei campi di precipitazione in input al modello. Il confronto con il dato misurato ha infatti evidenziato che le stime di precipitazione al suolo fornite dal modello meteorologico possono presentare rilevanti discrepanze e sono frequentemente sottostimate. Tale sottostima è accentuata dal fatto che nel definire l’input a CAMx, l’attuale configurazione della struttura modellistica trascura, per ragioni di congruenza, una quota della precipitazione stimata dal modello meteorologico. Analogamente, l’apparente contraddizione del confronto sulle concentrazioni in fase liquida potrebbe anche in questo caso dipendere dal dato di precipitazione, più in particolare dalle caratteristiche del profilo verticale di concentrazione di acqua, che scendendo verso il suolo tende evaporare un po’ troppo repentinamente, accrescendo quindi le concentrazioni in fase liquida della massa depositata. Il risultato ottenuto, per quanto nettamente migliore rispetto ad applicazioni passate, evidenzia chiaramente la necessità di ulteriori approfondimenti. E’ importante osservare che l’attività condotta ha rappresentato il primo tentativo sistematico di validazione del sistema modellistico rispetto alla stima della deposizione umida, basato sul confronto con il dato misurato. Infatti, fino ad ora, l’applicazione degli strumenti modellistici era sempre stata finalizzata solo alla ricostruzione delle concentrazioni in aria, ma non estesa alle deposizioni. Va altresì ricordato che la simulazione dei fenomeni di precipitazione costituisce l’aspetto più problematico dell’applicazione dei modelli meteorologici prognostici. Questo perché la ricostruzione della precipitazione richiede, accanto all’integrazione delle equazioni di conservazione di moto e calore, la modellazione di fenomeni piuttosto complessi quali la

struttura dei moti verticali, i passaggi di fase dell’acqua, nonché la stima di processi di sottogriglia. Nel caso della deposizione, inoltre, riveste notevole importanza anche la modalità di interfacciamento fra modello meteorologico e chimico. Nel presente studio è stata fatta la scelta di privilegiare la congruenza fisica dell’informazione, fornendo al modello di chimica la sola precipitazione risolta esplicitamente dal codice meteorologico. Per superare tali limiti si può indagare l’opportunità di adottare un approccio di tipo parzialmente diagnostico che permetterebbe di includere anche la precipitazione convettiva legata a fenomeni di sottogriglia.

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