Transport Processes and Optimization Strategies in Wetland Design

Le zone di transizione tra entroterra e mare costituiscono una porzione di territorio molto importante dal punto di vista ambientale e naturalistico. Esse rappresentano un naturale filtro per tutte quelle specie chimiche che sono prodotte da fonti di inquinamento diffuse (dilavamento di suoli agricoli) o occulte (scarichi non collettati o irregolari) che possono creare, se non opportunamente trattate, problemi di eutrofizzazione e di qualità delle acque lungo le coste. I tradizionali metodi di depurazione si rivelano poco efficaci nel trattare questo tipo di effluenti, per le grandi portate da gestire e per le relativamente basse concentrazioni di inquinanti. Risulta importante quindi, nell'impossibilità di impiegare i tradizionali impianti di depurazione, comprendere le dinamiche di trasporto negli ambienti naturali (fiumi e aree umide) e i meccanismi di rimozione degli inquinanti in tali zone, in modo da poterle utilizzare per riassorbire, in modo sostenibile e naturale, il carico di inquinanti che altrimenti raggiungerebbe direttamente le coste. A questo scopo è necessario focalizzare l'attenzione sui processi di ritenzione e sulla formulazione di appropriati strumenti modellistici che consentano ai tecnici e ai modellisti una comprensione sufficientemente ampia dei fenomeni e forniscano loro degli strumenti pratici che aiutino nella gestione e riprogettazione di queste aree tampone. Nel Capitolo 1 viene analizzato il ruolo di differenti processi di trasporto focalizzando l'attenzione su diverse scale spaziali e temporali di analisi e descrivendo i principali approcci modellistici utilizzati per trattare ciascun fenomeno. E' evidenziato il contributo di ciascun termine al bilancio di massa e sono prese in considerazione le chiusure modellistiche più classiche oggi adottate. Nel Capitolo 2 si analizzano le caratteristiche dei processi di ritenzione in tre diversi corsi d'acqua mettendo in relazione le diverse chiusure modellistiche adottate in funzione delle caratteristiche planimetriche degli alvei, della loro composizione vegetazionale e delle caratteristiche di permeabilità del fondo. L'analisi \'e eseguita utilizzando il modello di trasporto monodimensionale STIR (Solute Transport In Rivers) che si presta a descrivere le curve di concentrazione implementando una vasta gamma di fenomeni di ritenzione a diverse scale temporali, descritte da specifiche distribuzioni dei tempi di residenza del soluto in ciascun comparto di ritenzione. L'accordo dei dati sperimentali con le curve di concentrazione mostra come si possa, tramite analisi inversa, caratterizzare un fiume dal punto di vista della ritenzione. Il Capitolo 3 prende in considerazione un'area umida bidimensionale di cui si risolvono, con un approccio modellistico alle acque basse, l'idrodinamica e il trasporto di massa. Una opportuna procedura di analisi dei risultati numerici è utilizzata per determinare le distribuzioni dei tempi di residenza dell'area umida in funzione di una particolare distribuzione di vegetazione che riproduce un canale principale delimitato da due zone laterali a maggiore densità di vegetazione. A diversi rapporti di densità corrisponde una specifica forma della distribuzione che presenta, al di sotto di uno specifico valore di soglia, una evidente bimodalità. Per rappresentare opportunamente tale fenomeno, comune negli ambienti naturali, con un approccio modellistico mono-dimensionale di più semplice utilizzo, è proposta in questo capitolo, una nuova versione del modello STIR denominata STIR-DTD. Il Capitolo 4 presenta un approccio innovativo di ottimizzazione alla progettazione di un'area umida. La risoluzione numerica di un modello bidimensionale alle acque basse tramite il modello TELEMAC2D è integrata infatti con un algoritmo evolutivo di ottimizzazione. Allo stadio iniziale dell'evoluzione, è definita, in modo casuale, una popolazione di individui (ciascun individuo rappresenta una specifica distribuzione di zone vegetate) di cui il modello valuta l'efficienza depurativa. A partire dal livello di efficienza depurativa dimostrata da ciascuna distribuzione, l'algoritmo evolutivo, tramite specifici operatori genetici che mimano i processi di selezione naturali, evolve la popolazione verso la distribuzione di vegetazione che massimizza l'abbattimento di inquinanti. I test effettuati mostrano come la distribuzione ottimale evolva verso configurazioni che tendono a coprire tutta l'area vegetata disponibile o, qualora questa sia fissata, a prolungare il più possibile i percorsi di flusso all'interno delle aree vegetate. Il Capitolo 5 riporta i risultati di una prima analisi eseguita su campi random di vegetazione, descritti da una opportuna funzione densità di probabilità spaziale (Gaussiana). La risoluzione tramite un modello bidimensionale accoppiato ad uno di trasporto e decadimento mostra come l'efficienza depurativa e la portata siano correlabili con i parametri (densità media, varianza e lunghezza di correlazione) che caratterizzano la particolare distribuzione statistica di vegetazione adottata.