Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Lacqua Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali a.a Dispense del Corso Laurea in Ingegneria Gestionale Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni (ind. Sistemi di Telerilevamento) Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica (ind. Gestione e Automazione dei Servizi) Docente: Chiara Mocenni

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali A partire dagli anni 60 si sono manifestati i primi segni di inquinamento e degradazione ambientale come conseguenza delleccessiva industrializzazione: - strati spessi di olio nero su cui galleggiavano detriti e spazzatura (Cuyahoga River, 1960); - alghe stratificate e pesci morti in superficie (Lake Erie, 1969). Clean Water Act 1972

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Growing public awareness and concern for controlling water pollution led to enactment of the Federal Water Pollution Control Act Amendments of As amended in 1977, this law became commonly known as the Clean Water Act. The Act established the basic structure for regulating discharges of pollutants into the waters of the United States. It gave Environmental Protection Agency (EPA) the authority to implement pollution control programs such as setting wastewater standards for industry. The Clean Water Act also continued requirements to set water quality standards for all contaminants in surface waters. The Act made it unlawful for any person to discharge any pollutant from a point source into navigable waters, unless a permit was obtained under its provisions. It also funded the construction of sewage treatment plants under the construction grants program and recognized the need for planning to address the critical problems posed by nonpoint source pollution.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Mentre lacqua potabile è un bene che in numerose zone viene dato per scontato, in altre essa costituisce una risorsa preziosa, e questo sia a causa della sua scarsità, sia a causa della contaminazione delle sorgenti idriche. Circa 1,1 miliardi di persone, vale a dire il 18 % della popolazione mondiale, non hanno infatti accesso allacqua potabile, mentre più di 2,4 miliardi di persone non dispongono di impianti fognari adeguati. Nei paesi in via di sviluppo, inoltre, più di 2,2 milioni di persone, in maggioranza bambini, muoiono ogni anno per delle malattie la cui insorgenza è associabile alla mancanza di acqua potabile, a degli impianti fognari inadeguati e a unigiene scadente. E una larga percentuale delle persone che vivono nei paesi in via di sviluppo soffre di malattie causate direttamente o indirettamente dal consumo di acqua o cibo contaminati o da organismi infettivi che si riproducono nellacqua. Potendo contare su unadeguata disponibilità di acqua potabile e di fognature, invece, lincidenza di alcune malattie e dei decessi conseguenti potrebbe ridursi fino al 75 %. Lacqua e la popolazione mondiale

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Nonostante il 70% della superficie terrestre sia coperta dalle acque, lacqua dolce costituisce solamente il 2,5% del totale, mentre il rimanente 97,5% è composto da acqua salata. Più o meno il 70% delle riserve di acqua dolce si trova nelle calotte glaciali, e gran parte del resto è presente sotto forma di umidità del terreno, oppure si trova in profonde falde acquifere sotterranee inaccessibili. Può essere utilizzato dalluomo meno dell1% delle risorse mondiali di acqua dolce.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Le aree di scarsità e di difficoltà idriche sono in crescita, particolarmente nel Nord Africa e nellAsia occidentale. Nel corso dei prossimi due decenni, infatti, si prevede che il mondo avrà bisogno del 17% di acqua in più per la coltivazione dei prodotti agricoli necessari a sfamare le popolazioni in crescita dei paesi in via di sviluppo, e che di conseguenza limpiego complessivo delle risorse idriche registrerà un incremento pari al 40%. Nel corso di questo secolo un terzo delle nazioni che si trovano in regioni sottoposte a difficoltà idriche potrebbe dover affrontare delle gravi carenze nella disponibilità di acqua e, entro il 2025, due terzi della popolazione mondiale vivrà probabilmente in nazioni che affronteranno moderate o gravi insufficienze idriche.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Le risorse di acqua dolce sono distribuite in maniera estremamente disuguale. Le zone aride e semi aride del pianeta, che costituiscono il 40% della massa terrestre, infatti, ricevono solamente il 2% delle precipitazioni globali. Lirrigazione agricola pesa per circa il 70% sui consumi di acqua, e fino al 90% nelle zone aride dei tropici. A partire dal 1960, i consumi idrici per lirrigazione sono aumentati di oltre il 60%.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Nei paesi in via di sviluppo, fra il 90 e il 95% delle acque di scolo e il 70% delle scorie industriali vengono scaricate nelle acque, dove inquinano le risorse idriche disponibili, senza ricevere alcun trattamento.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali I Governi, i ministri e gli esperti idrici riunitisi in occasione della Conferenza Internazionale sulle Acque Dolci (Bonn, Germania, Dicembre 2001) hanno previsto che, allo scopo di raggiungere lObiettivo di Sviluppo del Millennio di dimezzare entro il 2015 la percentuale di persone che in tutto il mondo non hanno accesso allacqua potabile, oltre che di conseguire lobiettivo di dimezzare, sempre entro il 2015, il numero delle persone che non dispongono di impianti fognari, sarebbero necessari i seguenti provvedimenti: 1,6 miliardi di persone in più avranno bisogno di accedere a servizi e infrastrutture adeguati per la fornitura di acqua potabile. 2,2 miliardi di persone avranno bisogno di sistemi fognari migliori e di conoscenze igieniche più approfondite.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Quantità d'acqua presenti nella Terra * Area della superficie terrestre Quantità totale 0, Laghi salati e mari interni 97, Oceani 97, Acqua salata 1E Fiumi 1E (*)Vapore atmosferico 0, Umidità del suolo 0, Laghi 0, In profondità comprese tra 0 e 800 m 0, In profondità comprese tra 800 e m Acqua profonda 2, Ghiacci polari e ghiacciai 2, Acqua dolce %Volume (Km3)Area (Km2)Voce

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Il ciclo dellacqua L'acqua presente in natura circola e si trasforma nell'idrosfera seguendo dei percorsi che costituiscono il cosiddetto "ciclo idrologico". Il ciclo idrologico non ha principio né termine. A mano a mano che l'acqua evapora dagli oceani e dalle terre, essa diviene parte dell'atmosfera. Il vapore s'innalza ed è trasportato per l'atmosfera sino a che si condensa e precipita sulla terra o sul mare. L'acqua precipitata può essere intercettata o traspirata dalle piante, può scorrere in superficie o venir giù per declivi fra strati diversi del terreno, oppure può infiltrarsi sottoterra. L'acqua che rimane alla superficie riempie le zone più basse, si raccoglie e poi evapora oppure, dopo essersi raccolta, scorre via in un secondo tempo. Gran parte dell'acqua intercettata e traspirata e di quella che scorre sul terreno ritorna nell'atmosfera in seguito ad evaporazione. L'acqua che si infiltra nel terreno può raggiungere le regioni più profonde ed ivi raccogliersi sotto forma di acqua sotterranea, per uscir quindi fuori come sorgente od incanalarsi in un corso d'acqua entrando a far parte delle acque di scorrimento, ed evaporare infine nell'atmosfera per completare così il ciclo idrologico.

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In sostanza… La differenza tra lacqua che arriva al suolo per le precipitazioni – precipitation (>) e quella che lascia il suolo per evaporazione e traspirazione - evapotranspiration (<) è lacqua che ritorna negli oceani scorrendo in superficie (fiumi) o sottoterra (acque sotterranee) - runoff.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Gli inquinanti nellacqua Lacqua che viene utilizzata, una volta restituita allambiente è inquinata. Le ragioni di questo sono molte. Elenchiamo le principali. Inquinamento sanitario La scarsità di acqua e la eventuale sua contaminazione da parte di microrganismi, rappresenta una delle cause più importanti di malattia. LOrganizzazione Mondiale della Sanità ha stimato che tale problema sia responsabile di circa cinque milioni di morti allanno nel mondo. Nei paesi in via di sviluppo, soprattutto in Africa, la possibilità di usufruire di acqua potabile da parte della popolazione potrebbe evitare circa due milioni all'anno di decessi di bambini a causa di diarrea.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali I batteri sono responsabili della trasmissione di malattie quali colera, dissenteria, febbre tifoidea, mentre i virus sono responsabili di malattie quali epatite e poliomielite. Altri tipi di malattie non sono determinate direttamente da microbi presenti nellacqua, quanto piuttosto da piccoli animali che fungono da vettori di malattia. Tali animali sono ad esempio insetti che vivono in prossimità di acque (per lo più stagnanti) e che fungono da ospiti per i microrganismi patogeni che vengono inoculati nelluomo al momento della puntura: ciò si verifica per esempio per la malaria, il cui agente responsabile (Plasmodio) e trasmesso in occasione della puntura di particolari specie di zanzare (anopheles). Alternativamente le malattie possono essere provocate dal consumo alimentare di pesci o crostacei che a loro volta fungono da ospiti per altri microrganismi.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Lossigeno disciolto Una delle misure più importanti della qualità dellacqua è il quantitativo di ossigeno disciolto. Il valore di saturazione dellossigeno, che dipenda da salinità e temperatura, è modesto e varia tra 8 e 15 mg di ossigeno per litro dacqua. Il minimo quantitativo di ossigeno raccomandato per la vita dei pesci è di 5mg/l. In alcuni casi può essere necessario anche un quantitativo superiore (eg. 8 mg/l per i salmoni).

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali I rifiuti organici sono sostanze che si ossidano. Quando i batteri decompongono tali sostanze lossigeno disciolto nellacqua diminuisce, fino anche a creare problemi per la sopravvivenza dei pesci. Il carbonio organico può provenire sia da fonti naturali (zone paludose), sia da fonti derivate dalluomo (industrie o impianti di trattamento di acque inquinate). In acque ricche di azoto e fosforo, dove è in atto un processo di eutrofizzazione, le stesse alghe possono divenire la principale fonte di materiale organico e contribuire, quindi, al processo di deossigenazione. Anche la struttura del corpo idrico può influire; tratti di fiume chiusi o lenti facilitano infatti laccumulo di sostanze organiche.

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Con il termine BOD (domanda biochimica di ossigeno), si intende la quantità di ossigeno consumato durante un tempo determinato (5 giorni per il BOD 5 ), ad una data temperatura, per decomporre le sostanze organiche presenti nellacqua attraverso lazione dei batteri (respirazione cellulare). Il BOD 5 rappresenta il 68% del BOD tot, necessario per ossidare tutto il substrato organico nellarco di 20 giorni. Unelevata domanda biochimica dossigeno è lindice di unintensa attività batterica di demolizione organica e potrebbe quindi evidenziare la presenza di un inquinamento di tipo organico. Per tale motivo, il BOD 5 viene considerato come misura della quantità dei microrganismi presenti nellacqua analizzata.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Decomposizione batterica aerobica: OM + O 2 CO 2 + H 2 O + Cellule + Prodotti (NO 3, PO 4, SO 4,…) Decomposizione batterica anaerobica: OM CO 2 + H 2 O + Cellule + Prodotti (H 2 S, NH 3, CH 4,…)

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali La quantità di ossigeno richiesta per ossidare la sostanza organica si chiama domanda biochimica di ossigeno BOD. Come si può calcolare il BOD? Immaginiamo un contenitore con un certo quantitativo di materiale organico biodegradabile. Questo quantitativo diminuisce man mano che viene ossidato fino a che finisce.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Sia L t la quantità di ossigeno richiesta al tempo t. Assumendo che il suo decadimento avvenga tramite una reazione del primo ordine, abbiamo dove k è la costante di reazione.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali La soluzione dellequazione è dove L 0 = BOD t + L t, cioè è la somma della quantità di ossigeno consumata al tempo t (BOD t ) + la quantità di ossigeno che rimane ancora da consumare.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Combinando le due equazioni si ottiene: BOD t =L 0 (1-e -kt ) La costante k dipende dalla temperatura secondo la funzione seguente: k T =k 20 (T-20)

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali I nutrienti nellacqua I nutrienti sono sostanze chimiche quali fosforo, azoto, carbonio, zolfo, calcio, potassio, ferro, manganese, ecc. essenziali per gli organismi viventi. In termini di qualità dellacqua essi sono considerati inquinanti quando sono presenti in quantità eccessive, tanto da provocare la crescita esagerata di piante acquatiche (eutrofizzazione). Nutrienti limitanti. In genere lazoto nel mare e il fosforo nelle acque dolci.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Lazoto proviene da scarichi urbani, dalle acquacolture, è contenuto nei fertilizzanti e direttamente nellatmosfera, particolarmente nelle vicinanze di industrie. Il fosforo, al contrario, non si trova negli ambienti naturali, ma proviene principalmente dalle attività umane, come negli scarichi agricoli e domestici (ad es. nei detergenti).

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali LEutrofizzazione L'eutrofizzazione è un processo degenerativo delle acque indotto da eccessivi apporti di sostanze ad effetto fertilizzante (azoto, fosforo ed altre sostanze fitostimolanti) trasportate a mare dai fiumi e dagli insediamenti costieri. Le principali fonti di generazione sono costituite dal settore agro-zootecnico e da quello civile (insediamenti urbani). Il primo contribuisce con circa il 60 % dei carichi di azoto riversati in mare, il secondo con circa il 50 % di fosforo. L'eutrofizzazione è un fenomeno relativamente recente, compare in forma acuta nell'Adriatico Nord - occidentale nella seconda metà degli anni '60, si manifesta in molti altri mari nel mondo (Chesapeake Bay - USA, Mare del Nord e Mar Baltico, Baia di Tokio, ed altre aree).

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali La condizione che accomuna questi casi è legata da un lato alla forte antropizzazione del territorio conseguente ad un rilevante sviluppo economico e sociale, dall'altro al fatto che i bacini idrografici che attraversano queste aree scaricano le loro acque in mari semichiusi. E' in sostanza un fenomeno totalmente attribuibile alla pesante presenza dell'uomo sul territorio. Il fenomeno si manifesta con alterazione del colore e della trasparenza delle acque per le alte concentrazione di microalghe (il cosiddetto fitoplancton) in sospensione. Tale processo può avere ricadute sull'ambiente molto negative; nel periodo estivo - autunnale, quando le acque sono calde e calme e si hanno pertanto marcate stratificazioni, si possono generare diffuse e persistenti carenze di ossigeno nelle acque di fondo con stati di sofferenze nelle comunità bentoniche (pesci di fondo, molluschi, crostacei, ecc.).

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Per riuscire a ripristinare condizioni equilibrate, tali da ridurre la frequenza dei casi acuti di eutrofizzazione senza incidere sulla produttività/pescosità delle zone costiere, occorre mettere in atto misure atte a ridurre i carichi delle principali sostanze eutrofizzanti (azoto e fosforo). Dopo l'importante risultato legato all'abbattimento del fosforo nei detersivi occorre ora andare oltre con azioni ed interventi capaci di ridurre ulteriormente i contributi di sostanze ad effetto eutrofizzante provenienti dal settore agrozootecnico (per l'azoto) e da quello civile (per il fosforo).

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Inquinamento da surriscaldamento I grandi impianti di generazione dellenergia richiedono lutilizzo di molta acqua calda. Se il calore viene successivamente rilasciato in un fiume locale o in un lago linnalzamento risultante di temperatura può causare danni allecologia del sistema.

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali I Pesticidi L'uso dei composti agrochimici ha alterato gli ecosistemi sia relativamente alla fauna che alla flora; le conseguenze più rilevanti sono state: la riduzione della variabilità genetica dei sistemi viventi, i processi di eutrofizzazione delle acque dolci e di quelle marine, l'alterazione chimico-fisica e biologica dei suoli. Studi sulla diffusione, la trasformazione, la persistenza e l'accumulazione nei tessuti di piante e animali dei prodotti chimici impiegati nei processi agricoli, mettono in evidenza aspetti più complessi delle interferenze indotte da tali prodotti sulle strutture e sulle funzioni degli ecosistemi. Sempre più evidenti risultano i danni per la salute e per l'ambiente derivanti da un eccessivo e crescente inserimento di composti chimici in agricoltura, sia in termini di accumulazione di residui tossici e cancerogeni nel tessuto adiposo di uomini e animali, che di avvelenamento dei suoli, delle acque sotterranee e di superficie etc. Notevoli sono i danni ambientali causati dai fertilizzanti chimici che si aggiungono al suolo per mantenerne o aumentarne la produttività e quindi la resa delle colture.