Studio sperimentale del trasporto di inquinanti in vasca di filtrazione mediante tracciante fluorescente

Abstract

I metodi e le tecnologie di indagine per la determinazione dello stato di contaminazione di una falda acquifera sono largamente consolidati e affidabili, ma non si può dire lo stesso sul fronte della ricerca della fonte di inquinamento, un complesso problema inverso che, dal punto di vista teorico, ha trovato numerose risposte in letteratura. Tutte le metodologie proposte però, proprio per la loro natura teorica, necessitano di validazioni su dati sperimentali caratterizzati da affidabilità e completezza. Per la materia in esame, tali dati sono difficilmente reperibili, tanto per l'interesse dell'eventuale responsabile, quanto per quello degli organi deputati all'accertamento del danno; inoltre spesso non sono corredati dalle necessarie informazioni quali condizioni idrauliche a contorno o parametri idrodispersivi dell'acquifero. Da qui la necessità di poter sopperire alla carenza di tali dati, cercando di realizzare un dispositivo di laboratorio in modo da poterli produrre, con le caratteristiche desiderate. A tal fine è stato allestito un modello fisico preliminare, realizzato presso il laboratorio di Idraulica del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale (DICATeA) dell'Università degli Studi di Parma, che permette di regolare il flusso idrico di fondo e rappresentare fenomeni di trasporto in soluzione mediante l'iniezione puntuale o areale di tracciante. La concentrazione viene rilevata, in ogni punto del dominio, per via indiretta a mezzo del metodo fotografico. Il valore della velocità è stato scelto abbastanza alto (circa 0.1 cm/s) , per poter procedere in tempi ragionevoli alla realizzazione dei vari esperimenti prefissati, con sicura evidenziazione delle caratteristiche advettive-dispersive rispetto ai fenomeni diffusivi. L'elemento centrale del dispositivo è costituito da un contenitore parallelepipedo con pareti trasparenti in plexiglas di dimensioni interne 95x70x10 cm3 , ospitante al suo interno una matrice porosa ed un iniettore, che permette l'immissione e la distribuzione uniforme dell'inquinante. Per simulare quest'ultimo è stata adottata la fluoresceina sodica, un tracciante fluorescente, non tossico, facilmente reperibile e smaltibile. A mezzo di un circuito idraulico si garantisce la filtrazione d'acqua nel mezzo poroso, che è stato realizzato adoperando sfere di vetro con diametro compreso nel tra 0.75 e 1 mm; si è adottata una granulometria grossolana ed un materiale inerte per poter garantire la pulizia completa del sistema in tempi ragionevoli, a termine di ciascun esperimento. Il moto di fondo trasporta l'inquinante iniettato mostrando a parete un pennacchio che si sviluppa verso valle. La rilevazione del tracciante avviene per via fotografica, metodo di indagine assolutamente non invasivo ed economico. L'apparato è stato via via migliorato ed integrato con dispositivi aggiuntivi quali ad esempio quello di misura e controllo per la portata di iniezione, costituito da un vaso di Mariotte per garantire un carico costante all'iniettore, strumentato inoltre con una sonda di livello di tipo induttivo-resistivo per una registrazione in continuo dei volumi di tracciante movimentati. Con tale strumentazione si sono prodotti diversi esperimenti, anche in campo non uniforme inserendo setti impermeabili o dreni per deviare sensibilmente il percorso del tracciante. Il tutto è stato affiancato da un apposita modellazione numerica; si è quindi ottenuta una stima dei parametri idrodispersivi del mezzo poroso e si è infine affrontato il problema inverso della ricerca della sorgente, ricorrendo alla più immediata metodologia dell'adjoint state method. Inoltre, secondo la metodologia geostatistica, si è ottenuta una favorevole ricostruzione, basata su dati sperimentali, della storia di rilascio, la funzione temporale che descrive le portate di inquinante rilasciate alla sorgente e le relative concentrazioni di ingresso.

The methods and technologies of investigation for determining the state of contamination of an aquifer are largely established and trusted, but we can not say the same about the recovery of the source pollution, a complex inverse problem which, from the theoretical point of view, has found many answers in the literature. All the proposed procedures however, because of their theoretical nature, require validation on experimental data characterized by reliability and completeness. For the matter under consideration, these data are difficult to find; moreover often, these data aren’t accompanied by the necessary information such as hydraulic boundary conditions or dispersion parameters of the aquifer. Hence the need to overcome the lack of such data, trying to build a laboratory device capable to produce them, with the desired characteristics. For this goal, a preliminary physical model was set up, the installation was built at the Laboratory of Hydraulics, Department of Civil and Environmental Engineering (DICATeA) of the University of Parma. It allows to adjust the water flow and to realize basic transport experiments by the injection of tracer. The concentration is detected at any point of the domain by a photographic method. The water velocity was chosen high enough (about 0.1 cm / s), in order to perform the experiments in a reasonable time, highlighting advective-dispersive than diffusive phenomena. The central part of the device consists of a sand-box with transparent Plexiglas walls (inside dimensions of 95x70x10 cm3). It contains a porous matrix and an injector, which allows the input and uniform distribution of the pollutant. As contaminant a solution of sodium fluorescein was adopted. This substance is non-toxic, readily available and easily disposable. A hydraulic circuit guarantees the filtration of water in the porous medium, made by glass spheres with diameters in the range between 0.75 and 1 mm, such material has been adopted because of the inertial proprieties in order to ensure full clean system in reasonable time, at the end of each experiment. The background flow transports the tracer towards downstream and shows the plume at the trasparent wall. The detection of the tracer occurs via image analysis, a fully non-invasive method of investigation. The experimental unit has been gradually improved and integrated with additional devices to control the solute injection, for example the Mariotte vessel to ensure a constant hydraulic head at the injector, also equipped with an inductive-resistive probe level, for a continuous recording of the volume of the transferred tracer. With this instrumentation different experiments have been realized , even in non-uniform field by entering drains or diversion screen in order to modify significantly the path of the tracer. These activities were accompanied by an appropriate numerical modeling; so it is obtained an estimate of the hydraulic and dispersion parameters and, finally, the inverse problem of searching the source has been addressed. At this aim, the methodology of the adjoint state has been applied and, in addition, also a geostatistical methodology has been used to obtain the recovering of the pollutant release history.