4 A PPLICAZIONE E IMPLEMENTAZIONE DEL MODELLO QUAL2E

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4 APPLICAZIONE E IMPLEMENTAZIONE DEL MODELLO QUAL2E

4.1 Il modello QUAL2E

QUAL2E (Enhanced Stream Water Quality Model) è un modello informatico per la

simulazione della qualità delle acque in reti fluviali. Esso è distribuito dall’US-EPA

(United States Enviromental Protection Agency) e rappresenta una estensione del

precedente QUAL-II che a sua volta si basava sul QUAL-I (1970). L’attuale versione risale

al 1990 e gli elementi di novità sono rappresentati dall’accoppiamento di pre e post

processori che ne facilitano l’utilizzo da parte dell’operatore e dall’opzione grafica per la

rappresentazione dei risultati direttamente in fase di elaborazione. Si tratta di un modello

complesso, completo, e ampiamente diffuso ed utilizzato soprattutto negli Stati Uniti.

Il modello è in grado di simulare l’andamento spazio-temporale di 15 componenti,

combinati a discrezione dell’utente, lungo un sistema fluviale anche ramificato: essi sono

l’ossigeno disciolto, il BOD, la temperatura, la clorofilla-a, l’azoto organico, l’ammoniaca,

i nitriti, i nitrati, il fosforo organico, quello disciolto, i coliformi, un componente non

conservativo (a scelta) e tre componenti conservativi (a scelta).

Le principali opzioni consentite dal modello verranno descritte nelle parti seguenti di

questa sezione.

4.1.1 Rappresentazione concettuale

Il modello è costituito da un insieme di equazioni che descrivono lo sviluppo dei

processi chimici, fisici e biologici. In quanto tale, il modello approssima il sistema reale

con uno schema più semplice: per quel che concerne il bacino idrografico e il suo bilancio

idrico, questi vengono rappresentati mediante una rete idraulica monodimensionale. Il

sistema fluviale o parte di esso viene, infatti, concettualizzato mediante una

semplificazione grafica, come si vede in Figura 4.1.

Il sistema fluviale viene quindi suddiviso in porzioni più piccole detti tratti i quali, a

loro volta, vengono suddivisi in elementi discreti tutti della medesima lunghezza (che

viene stabilita in base agli obiettivi della simulazione) che vengono chiamati elementi


computazionali. Ciascuno di questi elementi è considerato come un reattore chimico con

uniformi caratteristiche idrauliche, geometriche (forma e dimensione della sezione,

pendenza dell’alveo, rugosità) e biochimiche.

Figura 4.1 Rappresentazione concettuale semplificata del sistema fluviale.


Gli elementi computazionali possono essere di sette tipi diversi:

# Sorgente (è sempre il primo elemento dell’asta fluviale principale e di ogni affluente)

# Elemento standard

# Elemento immediatamente a monte di una confluenza

# Elemento di giunzione (in cui entra un affluente)

# Elemento finale (l’ultimo elemento del sistema fluviale)

# Immissioni (scarichi concentrati e tributari non simulati)

# Prelievi (pozzi e captazioni localizzati)

Il programma prevede che il fiume possa essere suddiviso al massimo in 25 tratti e

ciascun tratto può essere suddiviso al massimo in 20 elementi computazionali; il numero

massimo delle sorgenti è di 7 e quello di immissioni o prelievi è di 25.

4.1.2 Rappresentazione funzionale

Per ogni elemento computazionale è necessario stabilire un bilancio idrologico in

termini di portata, un bilancio di massa in termini di concentrazione ed un bilancio termico

in termini di temperatura. La rappresentazione funzionale comporta la formulazione delle

caratteristiche fisiche, dei processi, e delle condizioni stazionarie sotto forma di equazioni

algebriche. Questo richiede una precisa definizione di ogni variabile e delle sue interazioni

con tutti gli altri parametri che caratterizzano il modello.

Bilancio idrologico

Questo programma si limita a simulare i costituenti di qualità per periodi in cui le

portate della sorgente, dei tributari e delle immissioni e dei prelievi siano costanti nel

tempo. Si assume quindi che il regime idraulico sia stazionario: dQ/dt = 0.

Per cui il bilancio idrologico di ogni elemento fluviale può essere così descritto:

( )ixQxQ =

∂∂

(5.1)

dove con (Qx)i si intende la somma di tutte le immissioni e/o prelievi nell’elemento i-

esimo considerato.


Figura 4.2 Suddivisione discreta di un tratto: bilancio idrologico e di massa.


Risolta l’equazione (5.1) gli altri parametri idraulici possono essere determinati, per

ogni segmento, dalle seguenti equazioni:

bQau ⋅= (5.2)

uQAx = (5.3)

βαQd = (5.4)

Dove a, b, α e β sono costanti empiriche fornite dall’utente che sono determinabili da

curve sperimentali: in tal modo verranno ricavate la profondità dell’alveo d (m), la velocità

media u (m/s) e l’area della sezione trasversale Ax (m²).

Dispersione longitudinale

Di particolare importanza risulta anche la determinazione della dispersione

longitudinale che si basa principalmente su un meccanismo di trasporto convettivo. La

dispersione è associata alla variazione spaziale della velocità media, al contrario della

diffusione che ne rappresenta invece la variazione temporale. Elder (1959) affermò che in

un sistema fluviale è importante solo il gradiente della velocità verticale e propose la

seguente equazione:

*93.5 duDL = (5.5)

Dove nel caso di uno stato stazionario

eSRCu ⋅=* (5.6)

con R raggio idraulico (m), Se pendenza del pelo libero (m/m) e C coefficiente di

Chezy che è proporzionale a R1/6 e inversamente proporzionale alla rugosità n di Manning

(ricavabile da tabelle apposite).


2

32

61

486.1

⋅

⋅=

=

R

nuS

nRC

e

(5.7)

Si ottiene quindi l’equazione utilizzata dal QUAL2E:

65

82.3 duKDL ⋅⋅⋅= (5.8)

Con K costante di dispersione, n rugosità di Manning, u velocità media e d profondità

media.

Incremento del flusso

Ipotizzare un aumento di portata del sistema fluviale è utile nel caso in cui si vogliano

valutare gli effetti di tale variazione sulla concentrazione dell’ossigeno disciolto.

L’equazione utilizzata è la seguente:

+=

2

15.0T

R

T

RCR DO

DODODOQQ (5.9)

Con,

QR = incremento di portata richiesto (m3/s);

QC = la portata corrispondente al punto di minimo della curva dell’ossigeno (m3/s);

DOR = concentrazione di ossigeno richiesta per raggiungere il valore richiesto (mg/l);

DOT = valore richiesto di concentrazione di ossigeno disciolto (mg/l).


Bilancio di massa

Il bilancio di massa consente di determinare, per ogni elemento, la concentrazione dei

costituenti conservativi, dei batteri coliformi e degli elementi non conservativi.

Poiché M = VC, si può scrivere:

( )tVC

tCV

tCV

tM

∂∂⋅+

∂∂⋅=

∂⋅∂=

∂∂

(5.10)

Ma poiché si assume un regime idraulico stazionario, il secondo termine dell’equazione

(5.10) è nullo. Considerando la seguente relazione che esprime il volume incrementale:

dxAV x= (5.11)

si può scrivere l’equazione di continuità che per ogni costituente ha la seguente forma:

( )vs

dtdC

xCuA

AxxCDA

AtC x

x

Lx

x

++∂

⋅⋅∂⋅−∂

∂∂⋅⋅∂

⋅=∂∂ 11

(5.12)

dove i quattro termini dalla parte destra dell’equazione rappresentano rispettivamente

la dispersione, l’avvezione, le trasformazioni dei costituenti e le diluizioni e le

sorgenti/prelievi esterni. In particolar modo dC/dt si riferisce unicamente ai cambiamenti

dei costituenti in termini di crescita o diminuzione, e non va confuso con ∂C/∂t che

rappresenta il gradiente di concentrazione istantaneo che in uno stato stazionario è uguale a

zero.

0=∂∂

tC

(5.13)


4.1.3 Reazioni ed interazioni tra i costituenti

I principali parametri presi in considerazione dal QUAL2E sono: la respirazione di

animali e piante, la fotosintesi, la riareazione atmosferica, la domanda biochimica di

ossigeno, la domanda bentica di ossigeno, la nitrificazione, la temperatura, la salinità e la

pressione.

Biomassa fitoplanctonica

La Clorofilla a è direttamente proporzionale alla concentrazione di biomassa algale

fitoplanctonica. La variazione di biomassa nel tempo dipende dal tasso di crescita algale µ,

dal tasso di respirazione ρ (che dipende dalla temperatura), dalla deposizione algale σ1 e

dalla profondità d:

Ad

AAdtdA 1σρµ −−= (5.14)

Il tasso di respirazione ρ (d-1) tiene conto di tre processi: la respirazione endogena delle

alghe e la conversione del fosforo e dell’azoto algale in fosforo e azoto organico. Il tasso di

crescita µ (d-1) dipende dalla disponibilità dei nutrienti (azoto e fosforo) e dalla luce. Per il

tasso di crescita è possibile selezionare tre opzioni. L’opzione 1 è basata sull’effetto

moltiplicativo dei processi enzimatici che si svolgono nella fotosintesi clorofilliana.

L’opzione 2 prevede che la crescita sia limitata dalla luce e da uno dei due nutrienti, dal

fosforo o dall’azoto, ma non da entrambi. L’opzione 3 prevede una crescita limitata da

entrambi i nutrienti. Anche per quel che concerne la relazione tra intensità luminosa e

attività fotosintetica è possibile scegliere fra tre opzioni. Nelle tre opzioni vengono

impostate delle equazioni che determinano il fattore di attenuazione della crescita algale in

funzione della luminosità.

L’opzione 1 è costituita da una equazione di primo grado, mentre l’opzione 2 gli effetti

dell’intensità luminosa sono elevati al quadrato. L’opzione 3 è costituita da una equazione

esponenziale che prevede anche la fotoinibizione per valori di intensità superiori al livello

di optimum. Il programma nel calcolo della attività fotosintetica tiene ovviamente conto


anche del fatto che l’intensità luminosa varia con la profondità in accordo con la legge di

Beer. Inoltre le tre equazioni sono regolate anche dal coefficiente di estinzione della luce

dovuto alla densità delle alghe.

Ciclo dell’azoto

Il ciclo dell’azoto viene rappresentato in QUAL2E mediante quattro variabili: azoto

organico (N4), ammoniacale (N1), nitroso (N2), nitrico (N3). Le equazioni differenziali che

governano le trasformazioni da una forma all’altra sono le seguenti:

per l’azoto organico 444314 NNA

dtdN

σβρα −−= (5.15)

per l’ammoniaca AFd

NNdt

dN µασββ 113

11431 −+−= (5.16)

per i nitriti 22112 NN

dtdN ββ −= (5.17)

per i nitrati ( ) AFNdt

dN µαβ 11223 1−−= (5.18)

con:

α1 = frazione di biomassa algale che è azoto (mg-N/mg-A);

σ3 = frazione di rilascio bentico di ammoniaca (mg-N/m²d);

σ4 = tasso di sedimentazione di azoto organico (d-1);

A = concentrazione di biomassa algale (mg-A/l);

ρ = tasso di respirazione algale (d-1);

d = profondità media della corrente (m);

β1 = tasso costante per l’ossidazione biologica dell’ammoniaca (d-1);

β2 = tasso costante per l’ossidazione dei nitriti (d-1);

β3 = tasso costante per l’idrolisi di azoto organico in ammoniaca (d-1);

µ = tasso di crescita locale algale (d-1);

F1 = frazione di azoto algale richiesta dal gruppo ammoniacale definito come:


( ) 31

11 1 NPNP

NPFNN

N

−+= (5.19)

con PN fattore di preferenza per l’azoto ammoniacale.

Il modello riesce anche a simulare il ritardo o l’inibizione della nitrificazione a causa di

un basso tenore di ossigeno disciolto.

Ciclo del fosforo

Le due equazioni che descrivono le variazioni di fosforo organico (P1) e disciolto (P2)

sono le seguenti:

per il fosforo organico 151421 PPA

dtdP σβρα −−= (5.20)

per il fosforo disciolto Ad

Pdt

dP µασβ 22

142 −+= (5.21)

i cui parametri nuovi rispetto al ciclo dell’azoto sono:

β4 = tasso di decadimento del fosforo organico, legato alla temperatura (d-1);

α2 = contenuto di fosforo delle alghe (mg-P/mg-A);

σ5 = tasso di sedimentazione del fosforo organico, legato alla temperatura (d-1);

σ2 = tasso di formazione di fosforo disciolto di provenienza bentica, legato alla

temperatura (mg-P/m²d).

BOD

Il modello QUAL2E simula l’andamento del BOD secondo la seguente equazione:

BODkBODkdt

dBOD31 −−= (5.22)

con:

k1 = tasso di deossigenazione, legato alla temperatura (d-1);

k3 = tasso di perdita del BOD per la sedimentazione (d-1).


Nel caso in cui si voglia utilizzare il BOD5 sia in input che come output del modello,

quest’ultimo effettua automaticamente la conversione secondo la relazione:

( )[ ]BODKBODBOD ⋅−⋅= 5exp0.15 (5.23)

con KBOD specificato dall’utente.

Ossigeno disciolto (DO)

Il principale indicatore di qualità fluviale è il tenore di ossigeno disciolto, il quale è

legato a tutta una serie di processi e fattori che interagiscono tra loro.

Il modello QUAL2E tiene conto della ossigenazione dovuta alla riareazione

atmosferica e alla fotosintesi, e della deossigenazione dovuta alla respirazione, alla

ossidazione biochimica delle materie organiche carboniose ed azotate ed alla domanda

bentica di ossigeno.

( ) ( ) 226154

142 * NNd

KBODKADODOK

dtdDO βαβαραµα −−−−−+−= (5.24)

i cui parametri non ancora specificati sono:

DO e DO* che sono rispettivamente la concentrazione di DO e quella alla saturazione

(mg/l);

α3 = tasso di produzione di ossigeno per unità di fotosintesi algale (mg-O/mg-A);

α4 = domanda di ossigeno per unità algale (mg-O/mg-A);

α5 = domanda di ossigeno per l’ossidazione dell’ammoniaca (mg-O/mg-A);

α6 = domanda di ossigeno per l’ossidazione dei nitriti (mg-O/mg-A);

K2 = tasso di riareazione, legato alla temperatura (d-1);

K4 = domanda di ossigeno bentico, legata alla temperatura (g m-2 d-1).

La solubilità in acqua del DO diminuisce con l’aumentare della temperatura e della

concentrazione dei solidi disciolti e con il diminuire della pressione atmosferica. La

concentrazione a saturazione dell’ossigeno è valutata tramite una equazione logaritmica.

Per quel che concerne la costante di riareazione K2, il programma mette a disposizione

otto diverse opzioni di calcolo per tale coefficiente che qui non vengono riportate.


Effetti degli sbarramenti sulla riareazione

Il modello QUAL2E ha la possibilità di stimare l’ammontare di ossigeno dovuto a una

riareazione forzata su dighe (lungo sbarramenti/briglie).

In tal caso l’utente deve inserire i seguenti dati:

# l’altezza della cascata d’acqua;

# il fattore empirico di qualità fluviale (1.8 per le acque pulite; 1.6 per acque

debolmente inquinate; 1 per acque moderatamente inquinate; 0.65 per acque

fortemente inquinate);

# il coefficiente empirico di aerazione per la diga (0.7-0.9 per largo stramazzo piano;

1.05 per stramazzo acuto con superficie verticale; 0.05 per paratie con scarico di

fondo).

Interazioni fra i parametri principali e l’ossigeno disciolto

Nello schema seguente vengono evidenziati i meccanismi di riossigenazione e di

consumo dell’ossigeno disciolto nel corpo idrico. Quasi tutti i processi sono regolati dalla

temperatura e dal pH, che risultano essere, perciò, parametri fondamentali per la

regolazione degli equilibri. In particolar modo:

L’azoto organico dipende da:o Concentrazione di biomassa algaleo Tasso di ammonificazioneo Tasso di sedimentazione dell’azoto organico

L’ammoniaca dipende da:o Tasso di ammonificazioneo Tasso di nitrificazioneo Rilascio bentico di ammoniacao Richiesta di azoto per la crescita algale

I nitriti dipendono da:o Tasso di nitrificazioneo Tasso di nitratazione

I nitrati dipendono da:o Tasso nitratazioneo Richiesta di azoto per la crescita algale

Il fosforo organico dipende da:o Concentrazione della biomassa algaleo Tasso di decadimento, legato alla temperaturao Tasso di sedimentazione, legato alla temperatura


Il fosforo disciolto dipende da:o Tasso di decadimento, legato alla temperaturao Tasso di formazione del fosforo disciolto di provenienza bentica, legato alla

temperaturao Tasso di crescita algale

Il BOD dipende da:o Tasso di ossidazione, legato alla temperaturao Tasso di perdita del BOD per sedimentazione

Figura 4.3 Schema riassuntivo dei meccanismi di regolazione dell’ossigeno disciolto.

assimilazioneassimilazione

ammonificazione

nitrificazione

nitrosazione

decomposizione

RiareazioneAtmosferica

OSSIGENO

DISCIOLTO

N organico

N – NH3

N – NO3

N – NO2

BOD

P organico

P disciolto

Biomassaalgale


Coliformi

La relazione di primo ordine utilizzata dal programma per la determinazione della

concentrazione dei coliformi è la seguente:

EkdtdE

5−= (5.25)

con:

E = concentrazione di coliformi (numero di colonie/100ml);

k5 = tasso di mortalità dei coliformi, legato alla temperatura.

L’equazione quindi è molto semplice e prende in considerazione solamente la morte

dei coliformi.

Costituenti conservativi e non conservativi

La formula generale utilizzata in questo caso è la seguente:

0766 =+−−=

dRRk

dtdR σσ (5.26)

con:

R = concentrazione del costituente;

k6 = tasso di decadimento, legato alla temperatura;

σ6 = tasso di sedimentazione, legato alla temperatura;

σ7 = tasso di rigenerazione bentica, legato alla temperatura;

Nell’applicazione di questo modello al T. Crostolo verrà analizzato l’andamento del

COD come componente conservativo.

4.1.4 Rappresentazione funzionale della temperatura

Il modello QUAL2E simula la temperatura facendo un bilancio termico per ogni

elemento del sistema, considerando gli scambi termici tra atmosfera e superficie

dell’acqua. Vengono considerate la radiazione solare ad onda corta e quella ad onda lunga,

i flussi legati alla convezione ed all’evaporazione:

ecbansnn HHHHHH −−−+= (5.27)


dove il flusso netto di calore è dato dalla radiazione netta ad onda corta (ossia tolto

l’assorbimento, la diffusione e la riflessione) più quella ad onda lunga, e sottratte le onde

lunghe di ritorno, il flusso convettivo di calore e il calore perso con l’evaporazione.

Figura 4.4 Scambi termici tra l’atmosfera e la superficie liquida.

Nello specifico la radiazione diretta ad onda corta Hsn dipende dall’altezza del sole

(variabile giornalmente e stagionalmente), dalla dispersione e dall’assorbimento in

atmosfera, dovuto alla copertura nuvolosa, nonché dalla riflessione dello specchio liquido,

albedo. La radiazione ad onda lunga Han dipende inoltre anche dalla temperatura dell’aria

sopra lo specchio d’acqua.

Il calore ceduto Hb dalla corrente liquida dipende unicamente dalla temperatura

dell’acqua secondo la legge di Boltzman. Il calore ceduto per evaporazione He, più

complesso da calcolare, dipende dal calore latente di evaporazione moltiplicato per il tasso

di evaporazione. Infine per quel che concerne il calore Hc ceduto dalla superficie liquida


per convezione, esso è funzione unicamente della temperatura dell’acqua e dell’aria

sovrastante.

L’utente dovrà inserire dati come la longitudine e la latitudine, il giorno dell’anno, il

coefficiente di evaporazione e il coefficiente di attenuazione dovuto alle polveri. Dovranno

poi essere inseriti dati climatologici come la temperatura a bulbo asciutto e di bulbo

bagnato, la pressione atmosferica, la copertura nuvolosa e la velocità del vento.

È necessario valutare il collegamento tra la temperatura e gli altri processi simulati dal

programma: le costanti cinetiche relative ai processi chimico-fisico-biologici considerati

dal modello sono dipendenti dalla temperatura. Per simulare la temperatura lungo il corso

fluviale, vale ancora l’equazione di continuità precedentemente considerata (5.12), in cui C

è però la concentrazione di calore, legata alla temperatura dalla:

( )0TTcC −= ρ (5.28)

Dove ρ è la densità, c il calore specifico e T la temperatura dell’acqua, mentre T0 è una

temperatura arbitraria di riferimento.

Differenziando la (5.28) rispetto al tempo, considerando nulla la variazione interna di

calore interno nel tempo e sostituendola nella (5.12) si ottiene:

( )Vs

cxTuA

AxxTDA

AtT x

Lx

ρ111 +

∂⋅⋅∂−

∂

∂∂⋅∂

=∂∂

(5.29)

con:

u = velocità media della corrente;

Ax = area della sezione trasversale (m²);

DL = coefficiente di diffusione (m²/s);

T = temperatura (°C).

Si ottiene in questo modo la simulazione della temperatura lungo il corso del fiume che

viene poi utilizzata in tutte le altre equazioni del modello che necessitano di questo valore

per determinare l’entità dei processi biochimici considerati (Brown et al., 1990).


4.2 Appicazione del modello QUAL2E al Torrente Crostolo

4.2.1 Caratterizzazione dei tratti fluviali

Il modello di qualità QUAL2E non è stato applicato all’intero corso d’acqua, bensì su

un segmento più breve e semplificato dello stesso. Tale segmento ha inizio nel comune di

Vezzano sul Crostolo a valle della confluenza del T. Campola e termina con la confluenza

nel fiume Po in località Baccanello.

Di conseguenza viene escluso dalla modellizzazione il tratto iniziale del Torrente. Tale

scelta è stata fatta per vari motivi: innanzitutto il tratto sottende una superficie di bacino

molto limitata rispetto all’intero bacino, la quale, tra l’altro, non presenta particolari

problemi dal punto di vista qualitativo. Inoltre tale tratto è caratterizzato da un regime

torrentizio e da portate molto scarse che comporterebbero difficoltà nella simulazione

idraulica. Il segmento preso in esame, al contrario, è sottoposto ad un notevole apporto di

carichi inquinanti di origine civile e agrozootecnica.

Il segmento oggetto di simulazione, della lunghezza di 41 km, è stato suddiviso in 7

tratti il più possibile omogenei dal punto di vista idraulico e morfologico. Inoltre sono stati

utilizzati altri 3 tratti per descrivere il T. Modolena (simulato con un tratto) e il C. Tassone

(simulato con due tratti) in quanto rappresentano i principali immissari del T. Crostolo,

nonché i corpi idrici recettori degli scarichi dei due più grandi depuratori presenti nella

provincia di Reggio Emilia.

È da precisare che la simulazione prevede che sia il T. Modolena ad essere tributario

del S. Silvestro, il quale a sua volta si immetterà in Crostolo, anche se in realtà avviene il

contrario. Tale scelta è stata compiuta al fine di poter valutare meglio gli effetti sulla

qualità delle acque del depuratore di Roncocesi (il quale scarica nel S. Silvestro) e del

Modolena sul corpo idrico. In questo modo il modello potrà stimare il livello di

autodepurazione che si verifica nei chilometri a valle degli scarichi dei depuratori, cosa che

non sarebbe possibile se tali immissioni fossero simulate come “point source” e non come

tratti veri e propri. Altri due immissari, il C. Cava e il C. Guazzatore, sono stati invece

considerati nel modello sotto forma di “point source”, per maggiore praticità.


Ogni tratto è suddiviso poi in elementi di calcolo: per motivi di calcolo richiesti dal

modello, ogni tratto non può contenere più di 20 elementi. Si è scelto di impostare la

lunghezza dell’elemento computazionale pari a 0,5 km: di conseguenza la lunghezza

massima di ogni tratto potrà essere di 10 km. Per ognuno di questi elementi si dovrà

stabilire a quale delle 7 categorie esso appartiene: sorgente, elemento standard,

immissione, prelievo, elemento immediatamente a monte di una confluenza, elemento di

giunzione, elemento finale.

Schematizzando il modello prevede:

3 Headwater (sorgenti)

# S1: situata a valle della confluenza del T. Campola nel T. Crostolo e che

rappresenta la sorgente vera e propria del Torrente Crostolo.

# S2: situata sul canale S. Silvestro a monte della via Emilia (nonché a monte dello

scarico del depuratore di Roncocesi), nel comune di Cavriago, e che rappresenta la

sorgente del sistema Modolena-S. Silvestro.

# S3: situata sul C. Tassone, a monte dello scarico del depuratore di Mancatale, nel

comune di Reggio Emilia e che rappresenta la sorgente del sistema Rodano-

Tassone.

9 Point Source (immissioni)

# P1: scarico del depuratore “Le Forche” (situato nel tratto 2)

# P2: scarico del depuratore “Bosco” (situato nel tratto 3)

# P3: Cavo Guazzatore (situato nel tratto 4)

# P4: scarico del depuratore “Roncocesi” (situato nel tratto 5)

# P5: immissione del Modolena nel S. Silvestro (situato nel tratto 5)

# P6: Cavo Cava (situato nel tratto 7)

# P7: scarico del depuratore di “Mancasale” (situato nel tratto 8)

# P8: scarico del depuratore “Meletole” (situato nel tratto 10)

# P9: scarico del depuratore “Boretto” (situato nel tratto 10)

2 Withdrawal (prelievi)

# W1: canalina irrigua in comune di Vezzano (situata nel tratto 1)

# W2: perdite di subalveo (situate nel tratto 3)


Tabella 4.1 Suddivisione in tratti effettuata sul t. Crostolo.

n° Denominazione tratto

Km inizio

Km fine

lunghezza Km Località di inizio tratto Località di fine tratto

1 VEZZANO 41 37 4 valle Campola monte dep. Forche2 RIVALTA 37 35 2 monte dep. Forche Rivalta3 REGGIO EMILIA 35 27 8 Rivalta valle Reggio Emilia4 ZONA ANNONARIA 27 22 5 valle Reggio Emilia monte Modolena5 SAN SILVESTRO 8 0 8 monte dep. Roncocesi valle S. Silvestro6 RONCOCESI 22 18 4 monte Modolena monte C. Cava7 BEGAROLA 18 9 9 monte C. Cava monte Tassone8 TASSONE 13 3 10 Mancasale Ponte della Forca9 TASSONE CONFL. 3 0 3 Ponte della Forca S. Vittoria

10 SANTA VITTORIA 9 0 9 monte Tassone valle Baccanello

S1 Campolacanalina 1 Vezzano

2 Le ForcheP

3 Rivalta

S3 P Reggio E.8 W

4 AnnonariaP

ModolenaP C. Guazzatore

Roncocesi 6J Silvestro P P 5 S2

Begarola 7

P Cavo Cava

10 S. Vittoria9 J

PP

FIUME PO

Stazione di chiusura Baccanello

Figura 4.5 Rappresentazione schematica del t. Crostolo suddiviso in tratti.


4.2.2 Individuazione delle stazioni di monitoraggio

Il modello prevede che vengano forniti valori di portata e di qualità delle acque per

ogni tratto in cui è stato suddiviso il Torrente. Tali valori andranno inseriti nella scheda

relativa alle condizioni iniziali dei tratti. A tal fine occorre che per ognuno dei 10 tratti vi

sia una stazione di monitoraggio, posta all’inizio di esso.

Tabella 4.2 Stazioni di campionamento utilizzate per la calibrazione del modello.

N° Nome della stazione Corpo idrico indagato

Localizzazione definisce valori per

1 Campola* Crostolo Vezzano, a valle immissione Campola sorgente S1 tratto 1

2 canalina canalina Vezzano, a valle immissione Campola W13 Le Forche Crostolo Le Forche tratto 24 Rivalta Crostolo ponte stradale tratto 35 Annonaria Crostolo annonaria a valle di Reggio E. tratto 46 Cavo Guazzatore Cavo

Guazzatoreimmissione in Crostolo immissione P3

7 S. Silvestro S. Silvestro Cavriago sorgente S2 tratto 5

8 Modolena Modolena confluenza S. Silvestro-Modolena immissione P59 Roncocesi* Crostolo Roncocesi tratto 6

10 Begarola* Crostolo Begarola tratto 711 C. Cava Bastiglia* Cavo Cava immissione in Crostolo immissione P612 Mancasale Tassone monte dep Mancasale sorgente S3

tratto 813 Tassone S. Vittoria* Tassone S. Vittoria tratto 914 Crostolo S. Vittoria Crostolo S. Vittoria tratto 1015 Baccanello* Crostolo Baccanello Chiusura di

bacino* Stazioni ARPA

In secondo luogo occorre che ogni “Headwater”, “point source” e “withdrawal” sia

definito da valori di portata e di qualità dell’acqua. Per quel che concerne gli input

provenienti dai depuratori si utilizzeranno i valori medi annuali ricavati dai rapporti sugli

impianti di depurazione redatti da AGAC.

Inoltre sono stati utilizzati i dati di qualità e di portata relativi ad alcune stazioni di

monitoraggio, previste dall’ARPA, che erano già disponibili. Considerando che non a tutti

i tratti da simulare corrisponde una sezione di monitoraggio ARPA, si sono dovute

effettuare ulteriori misure di qualità e di portata nei punti ove tali dati non erano

disponibili.


4.2.3 Stima qualitativa e quantitativa dei carichi inquinanti

Stima dei carichi di origine puntiforme

La valutazione del carico puntiforme è effettuata a partire dagli abitanti equivalenti

gravanti sul bacino, che recapitano negli impianti di depurazione (somma dei civili ed

industriali).

Tabella 4.3 Dati tecnici degli impianti analizzati.

2 Le Forche II 9505 2686 0.0313 Bosco II 9525 1528 0.0185 Roncocesi II 191743 27459 0.3185 S. Rigo II 38 21 0.0008 Mancasale II 125919 46556 0.53910 Boretto II 2575 1121 0.01310 Meletole II 4246 5630 0.065

TOTALE 343551 85001 0.984

Portata m3/sA.E. trattati nel 1999

Tratto QUAL2E Impianto Livello di

depurazione Portata m3/d

Tabella 4.4 Coefficienti utilizzati per il calcolo del carico generato da un AbitanteEquivalente.

Parametro Sigla Valore Unità di misura

Apporto di BOD5 BOD5 60.00 [g/(ab*d)]

Apporto di azoto totale Nt 12.33 [g/(ab*d)]

Apporto di fosforo totale Pt 1.84 [g/(ab*d)]

Analizzando le schede tecniche di ogni impianto è possibile ottenere i valori medi

giornalieri per il 1999 dei carichi inquinanti in entrata e in uscita. In questo modo è

possibile calcolare l’efficienza depurativa, espressa come percentuale di abbattimento, con

la massima precisione e in modo differenziato per ogni impianto. I suddetti calcoli sono

stati eseguiti soltanto per gli impianti sversanti nel tratto considerato dalla modellizzazione.

Infatti i valori così ottenuti sono riportati nelle seguenti tabelle.


Tabella 4.5 Valori medi relativi al 1999 per BOD5, COD, N, P.I valori in entrata e in uscita sono espressi in mg/l.I valori di abbattimento sono espressi in %.

Entrata Uscita % abb. Entrata Uscita % abb.

2 Le Forche 193.46 5.21 97.3 427.75 45.11 89.453 Bosco 408.73 14.33 96.49 819.6 57.33 935 Roncocesi 294.22 7.29 97.52 875.09 121.2 86.155 S. Rigo 124.33 14.62 88.24 278.33 68.08 75.548 Mancasale 158.61 20.63 87.00 322.76 81.47 74.7610 Boretto 112.92 6.5 94.24 271.17 46.85 82.7210 Meletole 36.58 7.77 78.76 89 41.15 53.76

TOTALE 1328.85 76.35 94.25 3083.7 461.19 85.04

Entrata Uscita % abb. Entrata Uscita % abb.

2 Le Forche 49.09 10.66 78.27 5.92 2.19 633 Bosco 38.63 16.52 57.23 6.12 1.53 755 Roncocesi 55.54 8.27 85.11 12.88 3.23 74.935 S. Rigo 42.25 25.36 39.99 4.85 3.73 22.958 Mancasale 26.72 22.21 16.89 4.21 1.69 59.9410 Boretto 28.75 18.03 37.28 4.38 2.05 53.2410 Meletole 15.92 12.47 21.65 2.34 2.22 5.22

TOTALE 256.9 113.52 55.81 40.7 16.64 59.12

BOD5 CODTratto Impianto

Nt PtTratto Impianto

Questi dati saranno inseriti nel modello Qual2E sotto la voce “Points Loads”.

Stima delle concentrazioni del carico diffuso

Per carichi diffusi si intendono quelli provenienti dal settore agricolo e da quello

zootecnico, nonché dal generalizzato apporto da parte dei suoli, anche se non coltivati.

Il bacino del Crostolo riceve una elevata quantità di scarichi provenienti dai depuratori

(che costituisce il 94% dei carichi totali), mentre solo una piccola parte proviene dal

dilavamento dei suoli. È inoltre da precisare che il Crostolo e i suoi principali affluenti

scorrono, a valle della Via Emilia, pensili, non permettendo nessun apporto in termini di

carico diffuso.


Il calcolo del carico diffuso potrebbe quindi essere effettuato unicamente per il tratto

modellizzato compreso tra Vezzano e Reggio Emilia (reach 1, 2 e parzialmente reach 3, 5).

Per la valutazione del carico diffuso si è utilizzata la metodologia a coefficienti

proposta dall’IRSA (Barbiero et al., 1991). Tale forma di inquinamento è molto difficile da

quantificare, essendo fortemente dipendente dai fattori meteorologici, dal trasporto solido

dai suoli verso le acque correnti, dall’uso del suolo e dai sistemi di concimazione e/o

fertililizzazione.

Attraverso tale metodica si è potuto stabilire che il carico diffuso corrisponde circa al

6% rispetto al totale. Tenendo conto anche della particolare situazione idrologia del t.

Crostolo si è deciso di non considerare i carichi diffusi nell’applicazione del modello

QUAL2E, in quanto la qualità delle acque fluviali sia governata in prevalenza

dall’andamento qualitativo degli scarichi puntiformi.

4.2.4 Calibrazione del modello

Per la calibrazione del modello si sono utilizzati i dati ottenuti dalle analisi chimico-

microbilogiche effettuate sui campioni raccolti nelle due giornate di campionamento. Si è

scelto di effettuare un campionamento durante la stagione di morbida e uno in quella di

magra. Attraverso i dati raccolti si è proceduto alla determinazione dei vari parametri che

regolano le equazioni del modello. La calibrazione del modello viene realizzata in due fasi:

la calibrazione idraulica e la calibrazione dei parametri chimico fisici.

Il regime idraulico è stato ritenuto di tipo stazionario: velocità di deflusso, area della

sezione trasversale e profondità costanti nel tempo. Nel modello sono stati inseriti, per ogni

tratto, i dati morfologici e idraulici richiesti. Infine è stato impostato il coefficiente di

Manning (posto uguale a 0.033) e il coefficiente di dispersione longitudinale K (posto

uguale a 100). Tutti i valori di input inseriti sono riportati in allegato III.

In secondo luogo sono stati calibrati i coefficienti e le costanti che regolano i vari

parametri chimici. Di particolare importanza è la scelta dei coefficienti di riareazione, di

quelli di abbattimento della sostanza organica e di ossidazione. Anche questi valori sono

riportati in allegato III.

Infine devono essere inseriti i valori climatologici e geografici relativi all’area di studio

e al periodo dell’anno su cui si vuole effettuare la simulazione (US-EPA,1995).


In questo modo è stato possibile ottenere una calibrazione del modello che ha fornito

una buona corrispondenza tra i valori teorici e quelli reali.

Poiché i valori ottenuti in un campionamento non sono rappresentativi di una

situazione generale, ma solamente di un valore istantaneo, si è scelto di inserire nel

modello i valori medi relativi agli ultimi 4 anni. Così facendo si è ottenuto l’andamento

spaziale lungo l’asta fluviale, dei vari parametri chimici, relativo alla situazione di

maggiore criticità (mese di agosto) e ad una situazione di morbida (mese di dicembre).

4.2.5 Risultati conseguiti

Per ogni parametro è rappresentato l’andamento simulato dal Qual2E, confrontato con i

valori medi ottenuti dalle campagne di analisi effettuate nello stesso periodo. Per maggiore

praticità verranno riportatati unicamente i grafici della calibrazione riguardante il periodo

di magra.

Andamento della portata

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

024681012141618202224262830323436384042

[Km]

[m3 /s

]

Reggio Emilia Modolena Tassone

Figura 4.6 Calibrazione del Qual2E con i valori medi di agosto: portata.


Andamento della Temperatura

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

024681012141618202224262830323436384042

[Km]

[°C

]


Figura 4.7 Calibrazione del Qual2E con i valori medi di agosto: temperatura.

Andamento dell'OD

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

024681012141618202224262830323436384042

[Km]

[mg/

l]


Figura 4.8 Calibrazione del Qual2E con i valori medi di agosto: ossigeno disciolto.


Andamento del BOD5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

024681012141618202224262830323436384042

[Km]

[mg/

l]


Figura 4.9 Calibrazione del Qual2E con i valori medi di agosto: BOD5.

Andamento del COD

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

024681012141618202224262830323436384042

[Km]

[mg/

l]


Figura 4.10 Calibrazione del Qual2E con i valori medi di agosto: COD.


Andamento dell'azoto ammoniacale

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

024681012141618202224262830323436384042[Km]

[mg/

l]


Figura 4.11 Calibrazione del Qual2E con i valori medi di agosto: azoto ammoniacale.

Andamento dell'azoto nitroso

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

024681012141618202224262830323436384042

[Km]

[mg/

l]


Figura 4.12 Calibrazione del Qual2E con i valori medi di agosto: azoto nitroso.


Andamento dell'azoto nitrico

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

024681012141618202224262830323436384042

[Km]

[mg/

l]


Figura 4.13 Calibrazione del Qual2E con i valori medi di agosto: azoto nitrico.

Andamento del fosforo totale

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

024681012141618202224262830323436384042

[Km]

[mg/

l]


Figura 4.14 Calibrazione del Qual2E con i valori medi di agosto: fosforo totale.

4 A PPLICAZIONE E IMPLEMENTAZIONE DEL MODELLO QUAL2E

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