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

Riferimenti bibliografici Socolofsky & Jirka, Special Topics in Mixing and Transport Processes in the Environment, 2005 (cap. 8, 9 e 10) J.S. Turner, Buoyancy effects in fluids, Cambridge University Press, 1973 V. Tonolli, Introduzione allo studio della limnologia (Ecologia e biologia delle acque dolci), Istituto Italiano di Idrobiologia, Verbania Pallanza, 1964 (versione elettronica CNR, 2001). J.L. Martin, S.C. McCutcheon, Hydrodynamics and transport for water quality modeling, CRC Press, 1999 part III: Lakes and Reservoirs A. Lerman, D.M. Imboden, J.R. Gat (eds.), Physics and Chemistry of Lakes, Springer-Verlag, 1995. cap. 4: D.M. Imboden, A. Wuest, Mixing Mechanisms in Lakes Alfred Wüest and Andreas Lorke, Small-Scale Hydrodynamics in Lakes, Annu. Rev. Fluid Mech., 35, pp. 373–412, 2003

Stratificazione Cause: Densità temperatura, fasi disciolte, solidi sospesi Importanza gravità (es. Apollo13) Densità ~103 kg/m3 (acqua) ~1.2 kg/m3 (aria)

Variazioni di densità Acqua di mare: anomalia s = r - 1000 kg/m3 equazione di stato UNESCO (STP)

Stabilità equilibrio stabile equilibrio indifferente equilibrio instabile

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

Numeri adimensionali Richardson: di gradiente “bulk” di flusso (turbolenza) rapporto tra il tasso di rimozione dell’energia per le forze di galleggiamento e la produzione dovuta alle tensioni Froude densimetrico Reynolds Prandtl

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

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

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.

I laghi origine stratificazione mixing onde interne

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

Origine tettonica vulcanica glaciale fluviale costiera sbarramento

Bilancio energetico energia potenziale energia cinetica energia termica energia meccanica

Flusso di energia termica Hn flusso netto di energia termica Hsw flusso di radiazione solare diretta (onda corta) HH flusso di radiazione diffusa (onda lunga) HB flusso di radiazione riflessa HL flusso perso per evaporazione Hs flusso di calore sensibile (conduzione, convezione)  misure (radiometro)  legge di Stefan-Boltzmann (nuvole, atmosfera)

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

Un esempio: il lago di Levico Bacino Brenta Altitudine [m s.l.m.] 440 Superficie bacino imbrifero [km2] 27 Superficie del lago [km2] 1.13 Volume [m3] 13.4·106 Profondità massima [m] 38 Profondità media [m] 11.1 Classificazione termica del lago Dimittico Elemento limitante Fosforo Stato trofico Mesotrofico Pergine Levico

Stratificazione e diffusione turbolenta

Stratificazione estiva stratificato non stratificato

Ciclo stagionale di stratificazione

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

Onde di sessa (seiche) vento  eccita un’onda 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

Periodo delle onde di sessa numero dei nodi (modo) periodo breve, piccola ampiezza, decadono rapidamente onde superficiali periodo lungo, grande ampiezza, persistono a lungo onde interne gravità efficace <<g

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

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)

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 contorno rigido superiore interfaccia contorno rigido inferiore

Instabilità di Kelvin-Helmholtz

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

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

Azione del vento tensione originata dal vento CD~0.0013 coefficiente di drag Destratificazione

Processi al fondo

Processi interni (stratificazione)

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

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

Bilancio dell’energia turbolenta tasso di dissipazione dovuto all’attrito interno (viscoso) produzione dovuta alle tensioni di Reynolds flusso di galleggiamento contributo negativo perché nel caso di stratificazione stabile la turbolenza trasporta particelle più pesanti verso l’alto e più leggere verso il basso e quindi “consuma” TKE Numeri adimensionali numero di Richardson di flusso efficienza di mescolamento

Lunghezze scala vortici 1 - 103 Ozmidov 10-2 - 1 Thorpe (centrata) Definizione Range tipico [m] Significato vortici 1 - 103 E’ la lunghezza scala alla quale l’energia entra nel sistema (ad es. la lunghezza scala di oscillazione delle sesse o la profondità dello strato di mescolamento superficiale). Ozmidov 10-2 - 1 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 d’acqua dalla loro posizione di equilibrio). Kolmogorov 10-3-10-2 Deriva dal bilancio tra le forze viscose e le forze inerziali. E’ l’estremo inferiore dello spettro della TKE: per scale più piccole la TKE viene dissipata dalla viscosità (scompaiono le fluttuazioni di velocità). Batchelor 10-3-10-4 E’ l’estremo 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.

La lunghezza scala di Thorpe prof. reale prof. riordinato

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

Strumenti

Piattaforme galleggianti Piattaforma galleggiante posizionata sul Lago di Caldonazzo. 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.

Stazione meteorologica 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. 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];

Anemometro DNA022 LASTEM 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. Radiometro Netto

Sonde di temperatura modello: HANDYLOG DK500 Le sonde termiche sono dotate di un datalogger interno con memoria fino a 64000 acquisizioni. La batteria interna a 3.6 Volt fornisce l’alimentazione al sistema e i dati vengono scaricati tramite un’interfaccia ad infrarossi. La precisione sulla misura di temperatura, dopo un’accurata calibrazione, può essere inferiore al decimo di grado centigrado.

(Acoustic Doppler Velocimeter) ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) ADV Ocean-5 MHz 2 microADV-16 MHz (2D e 3D) L’alta 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. L’ADV 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.

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

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 d’acqua - misura delle correnti nei laghi - misura di velocità su una colonna d’acqua - batimetrie di laghi - sezioni trasversali di corsi d’acqua

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

Sonda di Qualità Idronaut Un maggior dettaglio nella caratterizzazione della colonna d’acqua si ottiene dall’uso di un sistema automatico di monitoraggio in situ, capace di acquisire dati con un’elevata 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 l’aggiunta al sistema di: - fluorimetro (SEAPOINT CHLOROPHYLL FLUOROMETER); - torbidimetro (SEAPOINT TURBIDITY METER). Boa con il verricello Sonda multiparametrica

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

(Self Contained Autonomous Micro Profiler) SCAMP (Self Contained Autonomous Micro Profiler)

Flow logger 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. 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

Ecoscandaglio 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 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 12-40 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 all’acqua IPX6

Analisi sedimentologica Suddivisione del campione Carotatore Schema canaletta di laboratorio Microscopi

Carotatore 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.

Misura del consumo di ossigeno in laboratorio

Ossigenazione

Ciclo dei nutrienti in un lago problema! 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) destratificazione e ricircolazione del lago (autunno, forte vento, temporali estivi) materiale organico in decomposizione in colonna d’acqua che deposita sul fondo materiale organico in decomposizione che deposita sul fondo ricircolazione dei nutrienti sulla colonna d’acqua stratificazione termica estiva flussi ridotti di ossigeno dalla superficie del lago rilascio di nutrienti dai sedimenti richiesta di ossigeno dai sedimenti (consumo) e nella colonna d’acqua condizioni anossiche (carenza di ossigeno) al fondo

Come intervenire? problema! 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) destratificazione e ricircolazione del lago (autunno, forte vento, temporali estivi) materiale organico in decomposizione che deposita sul fondo materiale organico in decomposizione in colonna d’acqua che deposita sul fondo ricircolazione dei nutrienti sulla colonna d’acqua stratificazione termica estiva flussi ridotti di ossigeno dalla superficie del lago rilascio di nutrienti dai sedimenti ossigenatore richiesta di ossigeno dai sedimenti (consumo) e nella colonna d’acqua condizioni anossiche (carenza di ossigeno) al fondo

Alternative problema! 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) destratificazione e ricircolazione del lago (autunno, forte vento, temporali estivi) materiale organico in decomposizione in colonna d’acqua che deposita sul fondo ricircolazione dei nutrienti sulla colonna d’acqua stratificazione termica estiva flussi ridotti di ossigeno dalla superficie del lago rilascio di nutrienti dai sedimenti ossigenatore richiesta di ossigeno dai sedimenti (consumo) e nella colonna d’acqua condizioni anossiche (carenza di ossigeno) al fondo

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

Ossigenatore ipolimnico Limno Lago di Caldonazzo

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