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1 Cenni su moti stratificati e processi di mescolamento nei laghi (bozza) Idraulica ambientale a.a. 2010/11 Marco Toffolon Facoltà di Ingegneria - Università

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Presentazione sul tema: "1 Cenni su moti stratificati e processi di mescolamento nei laghi (bozza) Idraulica ambientale a.a. 2010/11 Marco Toffolon Facoltà di Ingegneria - Università"— Transcript della presentazione:

1 1 Cenni su moti stratificati e processi di mescolamento nei laghi (bozza) Idraulica ambientale a.a. 2010/11 Marco Toffolon Facoltà di Ingegneria - Università di Trento

2 2 Riferimenti bibliografici V. Tonolli, Introduzione allo studio della limnologia (Ecologia e biologia delle acque dolci), Istituto Italiano di Idrobiologia, Verbania Pallanza, 1964 (versione elettronica CNR, 2001). A. Lerman, D.M. Imboden, J.R. Gat (eds.), Physics and Chemistry of Lakes, Springer-Verlag, cap. 4: D.M. Imboden, A. Wuest, Mixing Mechanisms in Lakes J.L. Martin, S.C. McCutcheon, Hydrodynamics and transport for water quality modeling, CRC Press, 1999 part III: Lakes and Reservoirs Socolofsky & Jirka, Special Topics in Mixing and Transport Processes in the Environment, 2005 (cap. 8, 9 e 10) Alfred Wüest and Andreas Lorke, Small-Scale Hydrodynamics in Lakes, Annu. Rev. Fluid Mech., 35, pp. 373–412, 2003 J.S. Turner, Buoyancy effects in fluids, Cambridge University Press, 1973

3 3 Stratificazione Cause: temperatura, fasi disciolte, solidi sospesi Importanza gravità (es. Apollo13) Densità ~10 3 kg/m 3 (acqua) ~1.2 kg/m 3 (aria)

4 4 Variazioni di densità Acqua di mare: anomalia = kg/m 3 equazione di stato UNESCO (STP)

5 5 Stabilità equilibrio stabile equilibrio indifferenteequilibrio instabile

6 6 Stabilità frequenza di galleggiamento N [s -1 ] (interpretazione fisica: molla) periodo di oscillazione risultato: moto oscillante attorno alla posizione di equilibrio equilibrio stabile (frequenza di Brunt-Väisälä)

7 7 Numeri adimensionali Richardson: di gradiente bulk di flusso Froude densimetricoPrandtlReynolds (turbolenza) rapporto tra il tasso di rimozione dellenergia per le forze di galleggiamento e la produzione dovuta alle tensioni

8 8 Esempi profili di densità in laghi, estuari … Lago di Levico, stratificazione estiva

9 9 Stratificazione e diffusione turbolenta Effetto della stratificazione (numero di Richardson) Coefficienti (definizione mediata)

10 10 Esercizi Mescolamento verticale: mezzo stratificato (cuneo salino) scarico caldo Temperatura come tracciante passivo (mix trasversale): scarico caldo Rif. bibl.: M. Toffolon, G. Vignoli, Esercizi e appendici per il corso di idraulica ambientale, Dispense del corso (IV. Esercizi; V. Appendici), Università di Trento, a.a. 2005/06.

11 11 I laghi origine stratificazione mixing onde interne

12 12 mixing quasi nullo sulla verticale acqua ferma moto laminare diffusione molecolare lunghi tempi di residenza (se i tempi sono brevi non cè tempo per lo sviluppo della stratificazione morfologia (topografia): depressioni profonde che limitano lo scambio tra acque superficiali e profonde stratificazione: prevalentemente termica (acqua dolce) stratificazione termica riduzione degli scambi turbolenti verticali gradienti di velocità moto turbolento diffusione turbolenta grande incremento mixing verticale

13 13 Origine tettonicavulcanica costiera glaciale sbarramento fluviale

14 14 Bilancio energetico energia potenziale energia cinetica energia termica energia meccanica

15 15 H n flusso netto di energia termica H sw flusso di radiazione solare diretta (onda corta) H H flusso di radiazione diffusa (onda lunga) H B flusso di radiazione riflessa H L flusso perso per evaporazione H s flusso di calore sensibile (conduzione, convezione) Flusso di energia termica misure (radiometro) legge di Stefan-Boltzmann (nuvole, atmosfera)

16 16 penetrazione della radiazione ad onda corta (legge di Beer) Profilo termico T superficie fondo effetto della radiazione solare T superficie fondo radiazione solare + azione del vento coefficiente di estinzione

17 17 Un esempio: il lago di Levico Levico Pergine BacinoBrenta Altitudine [m s.l.m.]440 Superficie bacino imbrifero [km 2 ]27 Superficie del lago [km 2 ]1.13 Volume [m 3 ]13.4·10 6 Profondità massima [m]38 Profondità media [m]11.1 Classificazione termica del lagoDimittico Elemento limitanteFosforo Stato troficoMesotrofico

18 18 Stratificazione e diffusione turbolenta

19 19 Stratificazione estiva stratificato non stratificato

20 20 Ciclo stagionale di stratificazione

21 21 Onde di sessa (seiche) sessa uninodale sessa binodale periodo delle onde di sessa?

22 22 Onde di sessa (seiche) vento eccita unonda stazionaria con n =1 wind set-up: sollevamento equilibrio mentre soffia il vento spinte idrostatiche set-up superficie equilibrio tra le pressioni al fondo set-up interfaccia

23 23 Periodo delle onde di sessa gravità efficace <

24 24 Circolazioni barotropiche (trascurando le variazioni di densità): circolazioni complessive barocliniche (considerando variazioni di densità): onde interne (tempi grandi)

25 25 Onde interne onde di superfici isopicne (densità costante) stratificazione continua: onde interne stratificazione a gradino (strati): onde di interfaccia, onde di superficie Rif. bibl.: dispense di Socolofsky & Jirka, Special Topics in Mixing and Transport Processes in the Environment, 2005 (cap. 10)

26 26 Onde di interfaccia ipotesi: fluidi immiscibili contorni superiori e inferiori rigidi moto piano moto inviscido (viscosità nulla, Re grande) moto irrotazionale in ogni strato onde di piccola ampiezza interfaccia contorno rigido superiore contorno rigido inferiore

27 27 Instabilità di Kelvin-Helmholtz

28 28 Processi nei laghi processi superficiali processi interni processi al fondo (Benthic Boundary Layer, BBL)

29 29 Processi superficiali SBL: Surface Boundary Layer WASL: Wave Affected Surface Layer

30 30 Azione del vento C D ~ coefficiente di drag tensione originata dal vento Destratificazione

31 31 Processi al fondo

32 32 Processi interni (stratificazione)

33 33 Meccanismi di trasporto e mixing vento, boundary mixing (contorni), afflussi e deflussi, radiazione, reazioni chimiche (possono modificare la densità)

34 34 Turbolenza Turbulent Kinetic Energy [J kg -1 ]decomposizione di Reynolds moto medio fluttuazioni turbolente dissipazione energetica [W kg -1 ]

35 35 Bilancio dellenergia turbolenta numero di Richardson di flussoefficienza di mescolamento tasso di dissipazione dovuto allattrito interno (viscoso) flusso di galleggiamento produzione dovuta alle tensioni di Reynolds Numeri adimensionali contributo negativo perché nel caso di stratificazione stabile la turbolenza trasporta particelle più pesanti verso lalto e più leggere verso il basso e quindi consuma TKE

36 36 Lunghezze scalaDefinizioneRange tipico [m] Significato vortici E la lunghezza scala alla quale lenergia entra nel sistema (ad es. la lunghezza scala di oscillazione delle sesse o la profondità dello strato di mescolamento superficiale). Ozmidov Deriva dal bilancio tra le forze di galleggiamento e le forze inerziali. Rappresenta la misura dei vortici più grandi (vortici di dimensioni maggiori sono soppressi dalla forza di galleggiamento). Thorpe (centrata) E la dimensione verticale statistica dei microvortici turbolenti (spostamento verticale delle particelle dacqua dalla loro posizione di equilibrio). Kolmogorov Deriva dal bilancio tra le forze viscose e le forze inerziali. E lestremo inferiore dello spettro della TKE: per scale più piccole la TKE viene dissipata dalla viscosità (scompaiono le fluttuazioni di velocità). Batchelor E lestremo inferiore dello spettro delle quantità scalari come la temperatura e la salinità Per dimensioni più piccole le fluttuazioni dello scalare sono dissipate dalla diffusione molecolare D. Lunghezze scala

37 37 La lunghezza scala di Thorpe prof. reale prof. riordinato

38 38 Diffusione turbolenta (verticale) coefficiente di diffusione turbolenta stratificazione diapycnal mixing: attraverso superfici di uguale densità (stratificazione)

39 39 Strumenti

40 40 Al fine di ottenere una migliore caratterizzazione del lago in esame, risulta vincente utilizzare una piattaforma galleggiante anche di piccole dimensioni da cui vengono avviate diverse analisi. Sulla piattaforma, normalmente posizionata nella zona centrale del lago, viene installata anche la stazione meteo che in questo modo può rilevare in condizioni ideali, in assenza di ostacoli esterni, la situazione meteorologica sullo specchio d'acqua. Piattaforma galleggiante posizionata sul Lago di Caldonazzo. Piattaforme galleggianti

41 41 Stazione meteorologica Le stazioni consentono la misurazione in continuo dei seguenti parametri: Temperatura dell'aria [°C]; Velocità del vento [m/s]; Direzione del vento [°]; Umidità relativa percentuale [%]; Pioggia [mm e mm/h]; Pressione Atmosferica [mbar]; Radiazione globale [W/m2]; Due stazioni meteorologiche modello Vantage Pro della BITLINE. Le stazioni sono alimentate da batterie al piombo da 12V alimentate da pannelli solari ed i dati possono essere scaricati via GSM.

42 42 Radiometro netto per il calcolo della radiazione riflessa dalla superficie sottostante. Lo strumento è accoppiato ad un datalogger alimentato da una batteria al piombo da 12V, ha un'autonomia pari a 15-30gg a seconda dell'intervallo di acquisizione consentendo perciò di monitorare in continuo la radiazione netta ovvero la differenza tra la radiazione diretta e quella riflessa dal suolo sottostante. Anemometro DNA022 LASTEM Radiometro Netto

43 43 Sonde di temperatura Le sonde termiche sono dotate di un datalogger interno con memoria fino a acquisizioni. La batteria interna a 3.6 Volt fornisce lalimentazione al sistema e i dati vengono scaricati tramite uninterfaccia ad infrarossi. La precisione sulla misura di temperatura, dopo unaccurata calibrazione, può essere inferiore al decimo di grado centigrado. modello: HANDYLOG DK500

44 44 Lalta frequenza di 16 MHz dei micro ADV li rende degli ottimi strumenti per la misura di velocità ad alta precisione in laboratorio. La frequenza di campionamento massima è di 50Hz e il volume di misura è minore 0.1 cm^3. LADV Ocean ha un volume di misura fisso posto a 18 cm dal trasmettitore che permette di misurare con alta precisione correnti 3D indisturbate. Lo strumento è dotato di bussola, sensore di pressione e temperatura. ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) ADV Ocean-5 MHz 2 microADV-16 MHz (2D e 3D)

45 45 ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) Profilatore di velocità ad ultrasuoni 600 kHz modello Rio Grande

46 46 Lo strumento serve per le misure di velocità delle correnti e può essere usato sia da postazione fissa che da natante in movimento. Le acquisizioni possono essere fatte in tempo reale oppure possono essere memorizzate internamente allo strumento. Le applicazioni principali sono: - misura delle portate sui corsi dacqua - misura delle correnti nei laghi - misura di velocità su una colonna dacqua - batimetrie di laghi - sezioni trasversali di corsi dacqua

47 47 In basso una circolazione indotta dal vento nel Lago di Caldonazzo. Esempi di acquisizione con il Profilatore di velocità ad ultrasuoni 600 kHz modello Rio Grande. Misura della portata sul Fiume Po.

48 48 Un maggior dettaglio nella caratterizzazione della colonna dacqua si ottiene dalluso di un sistema automatico di monitoraggio in situ, capace di acquisire dati con unelevata frequenza e fornirli in tempo reale. Il sistema di monitoraggio è costituito da una boa dotata di verricello automatico (BUOY 601 PROFILER) a cui è collegata una sonda multiparametrica (OCEAN SEVEN 316 CTD-IDRONAUT). Il sistema, adeguatamente programmato, consente di ottenere i profili giornalieri dei principali parametri utilizzati per stabilire la qualità delle acque. La sonda in dotazione è equipaggiata con: - sensore di temperatura; - sensore di conducibilità elettrica; - sensore di ossigeno; - sensore di pH; - elettrodo per il potenziale di ossido-riduzione. La sonda fornisce, inoltre, i profili della concentrazione di clorofilla e di torbidità per laggiunta al sistema di: - fluorimetro (SEAPOINT CHLOROPHYLL FLUOROMETER); - torbidimetro (SEAPOINT TURBIDITY METER). Sonda di Qualità Idronaut Boa con il verricello Sonda multiparametrica

49 49 Prova di misura con ossimetro Prelievi con retino per la cattura di fitoplancton Altri prelievi e misure Prelievo di un campione dacqua ad una profondità assegnata.

50 50 SCAMP (Self Contained Autonomous Micro Profiler)

51 51

52 52 FlowLogger 4150 (ISCO). Lo strumento sfrutta gli ultrasuoni per misurare la velocità media del corso d'acqua sopra il sensore. Lo strumento è in grado di acquisire e memorizzare dati relativi al tirante ed alla velocità media inoltre, impostate le dimensioni della sezione, è in grado di calcolare automaticamente il valore della portata. Il datalogger è alimentato da batteria al piombo (senza manutenzione) da 12V, l'autonomia è di circa 1.5 mesi. La capacità di memoria è pari a XXX e consente di acquisire per esempio ad intervalli di 10min. per circa 5-6 mesi. Flow logger Difficoltà di misurazione con velocità basse inferiori a circa 2cm/s e con acqua troppo limpida o in generale con pochi solidi o materiale sospeso. Download dati da misuratore ad ultrasuoni

53 53 Strumento ad ultrasuoni utilizzato da barca per la lettura puntuale della profondità dello specchio d'acqua. Lo strumento è in grado di leggere profondità fino a 200m, di segnalare la velocità dell'imbarcazione, la temperatura dell'acqua ed eventuali corpi solidi immersi. Inoltre, può essere accoppiato a GPS o collegato ad un PC per la lettura dei dati in continuo. Caratteristiche tecniche: Display 160x160 pixels Potenza RMS 400 watt Potenza di picco 3200 watt Frequenza 200 Khz Profondità massima 200 metri Dimensioni mm 125x160x76 Ecoscandaglio GPS Utilizzato per la misurazione satellitare della georeferenzazione di un punto, può essere accoppiato con altra strumentazione come ADV, ADCP, ecoscandaglio... o collegato direttamente a PC per la lettura in continuo. Assieme al GPS da Campo il CUDAM è in possesso di un GPS Palmare. Caratteristiche GPS Palmare: antenna GPS a 12 canali paralleli a doppia acquisizione (24 satelliti) precisione orizzontale di precisione tipica: 3 metri di RMS (2D) precisione della velocità: 0,1 nodi senza codice S.A. accelerazione 6G aggiornamento dati ogni secondi tempo di acquisizione dei satelliti: a caldo 12 secondi, a freddo secondi ingresso e uscita dati RS232, NMEA 183 alimentazione con 4 pile AA o con alimentazione esterna (12volt opzionale), durata pile da 36 a 100 ore peso 240 grammi con batteria strumento resistente allacqua IPX6

54 54 Analisi sedimentologica Carotatore Microscopi Suddivisione del campione Schema canaletta di laboratorio

55 55 Lo strumento viene utilizzato per la raccolta di carote di sedimenti provenienti dal fondo del lago. Il carotatore è zavorrato con dei pesi in piombo in modo da consentirgli una discesa a velocità sostenuta e per facilitare la penetrazione dello stesso all'interno del materiale limoso. La carota che resta intrappolata grazie ad una saracinesca che si chiude automaticamente al momento del recupero, ha un diametro di 100mm ed una lunghezza variabile dai 15 ai 35cm. Il carotatore viene manovrato tramite una fune consentendo di fare prelievi anche a notevoli profondità; finora sono state prelevate carote fino ad una profondità massima di 48m. Carotatore

56 56 Misura del consumo di ossigeno in laboratorio

57 57 Ossigenazione

58 58 Ciclo dei nutrienti in un lago carichi esterni (uso del territorio, attività antropiche) apporto di nutrienti: fosforo, (azoto) fioritura alghe carichi interni (rilasci dai sedimenti in condizioni di anossia al fondo) materiale organico in decomposizione che deposita sul fondo richiesta di ossigeno dai sedimenti (consumo) e nella colonna dacqua condizioni anossiche (carenza di ossigeno) al fondo rilascio di nutrienti dai sedimenti stratificazione termica estiva flussi ridotti di ossigeno dalla superficie del lago destratificazione e ricircolazione del lago (autunno, forte vento, temporali estivi) ricircolazione dei nutrienti sulla colonna dacqua problema! materiale organico in decomposizione in colonna dacqua che deposita sul fondo

59 59 Come intervenire? carichi esterni (uso del territorio, attività antropiche) apporto di nutrienti: fosforo, (azoto) fioritura alghe carichi interni (rilasci dai sedimenti in condizioni di anossia al fondo) materiale organico in decomposizione che deposita sul fondo condizioni anossiche (carenza di ossigeno) al fondo rilascio di nutrienti dai sedimenti stratificazione termica estiva flussi ridotti di ossigeno dalla superficie del lago destratificazione e ricircolazione del lago (autunno, forte vento, temporali estivi) ricircolazione dei nutrienti sulla colonna dacqua problema! ossigenatore richiesta di ossigeno dai sedimenti (consumo) e nella colonna dacqua materiale organico in decomposizione in colonna dacqua che deposita sul fondo

60 60 Alternative carichi esterni (uso del territorio, attività antropiche) apporto di nutrienti: fosforo, (azoto) fioritura alghe carichi interni (rilasci dai sedimenti in condizioni di anossia al fondo) materiale organico in decomposizione in colonna dacqua che deposita sul fondo condizioni anossiche (carenza di ossigeno) al fondo rilascio di nutrienti dai sedimenti stratificazione termica estiva flussi ridotti di ossigeno dalla superficie del lago destratificazione e ricircolazione del lago (autunno, forte vento, temporali estivi) ricircolazione dei nutrienti sulla colonna dacqua problema! ossigenatore richiesta di ossigeno dai sedimenti (consumo) e nella colonna dacqua

61 61 Stato trofico (fosforo) carico naturale del territorio oligotrofia carico esterno areale (P) tempo di ricambio contributo antropico, uso del territorio diagramma di Vollenweider stato del lago eutrofia

62 62 Ossigenatore ipolimnico Limno Lago di Caldonazzo

63 63 ugello Anello di ossigenazione cilindro di mescolamento 24 getti lungo lanello getto presa aggiunta di ossigeno puro Metodo: Side Stream Pumping System


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